Apostilha - Eletrônica -Eng. Romeu

Eletrnica

Bsica

Prof. Eng. Romeu Corradi Jnior

Eletrnica Dispositivo de estado slido

Prof. Corradi

Eletrnica Bsica Prof. Eng. Romeu Corradi Jr. 1. Introduo Esta apostila tem o objetivo de proporcionar ao aluno um primeiro contato com os dispositivos semicondutores, como diodos e transistores. As informaes aqui apresentadas sero utilizadas como introduo aos componentes semicondutores, cabendo ao aluno uma complementao em literaturas tcnicas especificas. Os assuntos aqui abordados tem um carter didtico; na inteno de facilitar a compreenso de literaturas tcnicas mais abrangentes, ajudando o aluno a se familiarizar com os termos tcnicos e demais situaes que envolve a eletrnica bsica. Assim esta apostila ir ajuda-lo em seus estudos, mas voc dever reservar em casa um tempo para estudar os pontos aqui abordados e sempre complementando as informaes apresentadas com livros de maior profundidade no assunto, e tambm resolver os exerccios propostos varias vezes de forma a garantir um bom aprendizado; lembre-se os assuntos a serem abordados requer estudo sistemtico e dedicao na resoluo de problemas, para que voc obtenha boa compreenso dos circuitos estudados. Abaixo temos uma lista de possveis literaturas tcnicas que voc poder usar para se aprofundar mais nos assuntos, importante que voc tenha pelo menos um dos livros indicados. Malvino, Albert Paul Eletrnica Vol. 1 Editora MAKRON Books Boylestad Nashelsky Dispositivos Eletrnicos e Teoria de Circuitos Editora PHB Prentice/Hall do Brasil Cipelli, Antonio Marco Vicari e Sandrini, Waldir Joo - Teoria e Desenvolvimento de Projeto de Circuitos Eletrnicos Editora rica Marques, Angelo Eduardo B. / Choueri Jr., Salomo / Cruz, Eduardo Cesar Alves Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores Editora rica Outros livros sobre eletrnica bsica podero ser utilizados como livro texto para apoio, o importante que voc tenha pelo menos uma literatura tcnica para aprofundar os seus conhecimentos.

Eletrnica Dispositivos de estado slido 2. Diodo ideal Diodos so dispositivos eletrnicos de dois terminais com a propriedade de permitir a passagem de corrente eltrica mais facilmente num sentido que em outro. Esta propriedade torna os diodos extremamente teis em aplicaes eletrnicas, como veremos adiante. Para facilitar a compreenso dos diodos, discutiremos primeiramente o conceito de diodo ideal. 2-2. O diodo ideal O conceito de diodo ideal pode ser mais claramente entendido se, primeiro, compararmos suas caractersticas com as de um resistor linear como mostrado na fig. 1. Tanto o resistor quanto o diodo so elementos de dois terminais. A caracterstica V-I do resistor linear indica que ele obedece lei de Ohm, qualquer que seja a polaridade da tenso aplicada. Da podemos concluir que ele conduz igualmente nos dois sentidos.

Um resistor ento chamado um elemento de circuito bilateral. Um diodo ideal, como veremos, um dispositivo unilateral. Isto , ele conduz perfeitamente em um sentido mas no no outro, dependendo da polaridade da tenso aplicada. A representao esquemtica de um diodo ideal est mostrada na fig. 2. Esta tambm a representao de um diodo a estado slido real, sendo portanto necessrio indicar se est sendo considerado um diodo ideal ou real. Na maioria dos casos, entretanto, o diodo a estado slido se aproxima tanto do diodo ideal que podemos consider-los compatveis.

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diodo ento chamada tenso direta ( ) e a corrente correspondente a corrente direta (

atre

si

0. O conceito do ponto de quebra muito til na nlise de circuitos contendo vrios diodos.

com resistncia finita e com corrente nula atravs dela. 3 No ponto de quebra, V = 0, I = 0

rimeira srie de exerccios:

roblemas Bsicos

. Determine E e I no circuito abaixo. Admita como ideal o diodo.

. Determine E e I na figura abaixo. Admita o diodo ideal.

Relacionando a curva V-I da fig. 1 com a da fig. 2 conclumos que o diodo ideal tem a seguintes caractersticas. Se tentarmos polarizar positivamente o nodo com relao ao ctodo, uma condio chamada polarizao direta, o diodo apresenta resistncia zero pis vemos que na curva V-I, V = 0 para qualquer que seja I. A corrente I ento limitada somente pelo circuito externo ao diodo. Este chamado estado ON ou estado de polarizao direta ou ainda estado de conduo direta do diodo. Qualquer tenso no primeiro quadrante que tenda a tornar ON o

FV

FI ). Inversamente, para um diodo ideal, FV = 0, sempre que uma corrente FI forada a atravess-lo como a proveniente de uma fonte de corrente. Vemos que um diodo ideal polarizado diretamente simula uma chave fechada. Se V uma quantidade ne iva ( nodo negativo com relao ao ctodo ), V chamada tenso versa ( RV ) e I correspondentemente negativa e chamada corrente reversa ( RI ). Quando polarizado reversamente o diodo ideal tornado OFF e ele mula uma chave aberta, desde q e nenhuma corrente pode fluir no sentido inverso. Assim, RI = 0 para todos os valores de RV ou -V. O ponto no qual o diodo passa do estado ON para OFF e vice-versa chamado ponto de quebra ou de corte. No ponto de quebra V = 0 e I =

g

u

a Resumindo: 1 Se a corrente ou a tenso aplicada ao diodo ideal tende a polarizar positivamente o nodo com relao ao ctodo, o diodo torna-se polarizado diretamente ( ON ) e simula uma chave fechada com resistncia zero e com queda de tenso zero. 2 Se a tenso aplicada ao diodo ideal tende a polarizar negativamente o nodo com relao ao ctodo, o diodo torna-se polarizado reversamente ( OFF ) e simula uma chave abertain P P 1

2


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roblemas com respostas ( admita diodos ideais )

E na fig. abaixo.

ESPOSTA I = 0, E = 0

de .

. Determine no circuito abaixo.

. Esboce a caracterstica Volt-Ampre vista pelos terminais do circuito mostrado na fig. abaixo. Cuide para que sejam observados os sentidos de referncia apropriados.

P 3. Determine I e

R

Oe4. Esboce a forma de onda

ABE5RESPOSTA = 12 Volts

ABE

6


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. Como voc conectaria um diodo entre os terminais mostrados na fig. abaixo de modo que a rga ?

or o diodo ideal. Na prtica no existe diodo ideal, mas felizmente m aproximadas por um diodo de juno a estado slido, na maioria

7

LRcorrente flua atravs da ca

8. Determine I na fig. abaixo.

3. O diodo de juno a estado slido Estudamos no item anteriuas caracterstica so bes

dos casos. 3-1. O diodo de juno A maioria dos diodos a juno so compostos primariamente do elemento silcio, e em menor extenso, de germnio. Tanto o silcio quanto o germnio so chamados semicondutores devido resistncia desses elementos estar situada entre a baixa resistividade dos condutores metlicos e a alta resistividade dos isoladores. Uma caracterstica significante da estrutura atmica desses materiais o fato deles possurem quatro eltrons de valncia.


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amando-se a isso ligaes covalentes. Essas ligaes covalentes levam s tomos de silcio e germnio a constiturem uma estrutura geomtrica ordenada dentro do ristal. Para nossos objetivos o tomo isolado de silcio ou germnio pode ser representado

pela forma esquemtica mostrada na fig. 3. Cada linha deixando o ncleo, representa um eltron de valncia.

onsideraremos somente os quatros prtons necessrios para balancear os quatro eltrons de alncia, a fim de manter a neutralidade eltrica do tomo normal. A fig. 4 ilustra como cada

tomo de silcio ou germnio est ligado a cada tomo adjacente atravs de ligaes covalentes.

nsidere

Voc deve se lembrar que so os eltrons de valncia que determinam basicamente as propriedades qumicas e eltricas de um elemento. Agora, se esses elementos estiverem arranjados numa forma cristalina, os eltrons de valncia nas camadas mais externas de um tomo qualquer, alinham-se com os eltrons de valncia de tomos adjacentes para formar pares de eltrons, choc

Fig.3 Cv

3-2. Conduo intrnseca Em uma amostra de semicondutor puro poucos eltrons esto disponveis para a conduo nas baixas e medias temperaturas, porque a maior parte dos eltrons est firmemente ligada atravs de ligaes covalentes. A amostra de semicondutor apresentar portanto uma resistncia relativamente alta. Se, entretanto a temperatura do cristal fosse aumentada, veramos que a resistncia hmica da amostra decresceria. Este coeficiente de temperatura negativo da resistncia se deve ao fato de o aumento de temperatura implicar num acrscimo da energia cintica dos eltrons de valncia. O acrscimo de energia permite que alguns dos eltrons de valncia se libertem de suas ligaes covalentes. Estes eltrons livres so ento capazes de agir como portadores de corrente sob ao de um campo eltrico aplicado. O vo deixado pelos eltrons livres na ligao covalente chamado buraco ou lacuna . Admite-se que os buracos ou lacunas comportam-se como portadores de corrente adicionais carregados positivamente. Embora existam algumas diferenas significantes, podemos considerar o buraco ou a lacuna como sendo equivalente a um eltron com carga positiva, para a maior parte dos propsitos. Para melhor entender o conceito de buraco ou lacuna co


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o covalente foi rompida surge um vo de eltron ou buraco. Se onsiderssemos que o eltron removido estava balanceado por uma carga igual e oposta evido aos ncleos circundantes, poderamos admitir que este buraco tem uma carga igual e

desde que a regio estava eletricamente neutra antes

ositivas mveis, caminham para a

ontrole deve fornecer uma rande quantidade de energia para quebrar uma ligao covalente. Segundo, portadores de

os e eltrons ) so gerados em iguais quantidades. Outros eios foram pesquisados para controlar a condutividade em semicondutores; descobriu-se que

solidifica num cristal, os tomos de

a fig. 5 que ilustra um eltron e que foi arrancado de uma ligao covalente. Este eltron est agora livre para caminhar atravs do cristal se um campo eltrico aplicado. O campo poderia ser estabelecido conectando-se uma fonte de voltagem aos terminais do cristal. Agora, o eltron constitui um portador de corrente considerado isoladamente. Note que onde a ligacdoposta do eltron. Isto parece razovelda remoo do eltron.

Este buraco atrair ento um eltron de uma das ligaes covalentes dos tomos vizinhos e esse eltron deixar tambm um buraco na sua posio inicial. Um terceiro eltron ir completar o buraco deixado pelo segundo eltron e assim por diante. Se um campo eltrico aplicado, os buracos, que se comportam como cargas pextremidade positiva. O buraco tambm um portador de corrente, e ao alcanar a extremidade negativa do cristal neutralizado por um eltron vindo do fio que est ligado ao terminal negativo da fonte de voltagem. Assim, vemos que a ruptura de uma ligao covalente produz no somente um mas dois portadores de corrente. Deve ser notado que os buracos no fluem para o circuito externo mas somente no interior do semicondutor. Este tipo de conduo, envolvendo a gerao de pares eltron-buraco ou eltron-lacuna, chamada conduo intrnseca. Mais tarde veremos que a presena de pares eltron-lacuna usualmente indesejvel, e que desejamos somente eltrons ou somente buracos ou lacunas. Devemos tambm notar que temos tomado muita liberdade a fim de simplificar a fsica dos semicondutores envolvida. Entretanto, a apresentao de suficiente profundidade para dar uma boa idia intuitiva para a compreenso dos diodos e transistores. A condutividade do silcio ou germnio aumentar medida que o nmero de portadores de corrente crescer. Inversamente ela decrescer medida que o nmero de portadores decresce. Podemos, portanto, controlar a condutividade pela disrupo de ligaes covalentes, mas isto indesejvel por duas razes. Primeiro, nossa fonte de cgcorrente de ambos os tipos ( buracma adio de certas impurezas reduziam esses efeitos indesejveis. 3-3. Semicondutores dopados Para ver como a adio de certos tomos de impurezas afeta a condutividade de um semicondutor, considere a adio de uma pequena quantidade de arsnio a uma fornada de silcio puro em fuso. A fig. 6 a representao de um tomo de arsnio, que possui cinco eltrons de valncia. Quando esse silcio em fuso searsnio estaro uniformemente dispersos atravs de estrutura cristalina. Como existem muitos tomos de silcio comparados aos de arsnio, virtualmente cada tomo de arsnio estar circundando por tomos de silcio. Isto est ilustrado na fig. 7. Mas o arsnio tem cinco eltrons de valncia enquanto o silcio ou germnio tem quatro.


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cundantes de silcio ( ou germnio ). Isto, entretanto, deixa um quinto eltron e valncia do arsnio, fracamente ligado e sem lugar particular para ir. Se este eltron bandonar o tomo de arsnio original devido a agitao trmica ou outras causas quaisquer, ermanece no local um on arsnio positivamente carregado, que est rigidamente ligado

gio estar eletricamente neutra antes da

as doadoras. O processo de adio de tomos de impurezas ao semicondutor puro chamado dopagem. tambm possvel produzir semicondutores tipo P, os quais so ricos m lacunas, pela adio de pequenas quantidades de impureza trivalentes ( trs eltrons de

valncia ) ao semicondutor em fuso. Impurezas trivalentes ( tomos aceitadores ) so ndio, alumnio e glio. A fig. 8 ilustra uma representao esquemtica de um tomo de impureza trivalente.

Assim, no cristal, quatro dos cinco eltrons de valncia participaro das ligaes covalentes com os tomos cirdapestrutura cristalina. Isto deve acontecer devido reperda do eltron.

Desde que esse quinto eltron de valncia do arsnio est fracamente ligado ao tomo correspondente, ele requer uma quantidade de energia bastante pequena para tornar-se livre e disponvel para a conduo sob ao de um campo eltrico. Muito importante notar que esse eltron no veio do rompimento de uma ligao covalente. Isto significa que nenhum buraco foi deixado para trs. Um buraco, voc deve estar lembrando, uma falta de um eltron numa ligao covalente. Portanto, pela adio de impureza pentavalente ( cinco eltrons de valncia ) superamos as duas objees associadas variao da condutividade obtida pelo controle de produo de pares eltrons-lacunas. Outras impurezas pentavalentes, tais como fsforo ou antimnio, podem tambm ser usadas para formar peas de silcio ou germnio com abundncia de eltrons fracamente ligados. Esses semicondutores enriquecidos de eltrons so conhecidos como tipo N, e as impurezas pentavalentes so chamadas tomos doadores ou impureze

A fig. 9 ilustra o efeito de uma impureza trivalente dentro da estrutura cristalina. Note que agora temos uma ligao covalente incompleta na qual falta um eltron. Isto est de acordo com nossa definio anterior de buraco ou lacuna. Neste caso o buraco o nico portador de corrente, pois no h presena de eltrons fracamente ligados.


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dio controlada de impurezas ( dopagem ) causa a predominncia de m ou outro tipo. Mais energia necessria para romper uma ligao covalente no silcio que o germnio. Isto significa que, numa dada temperatura, O Si puro tem menos portadores de orrente disponveis que o Ge. Embora a resistividade do Si puro seja mais elevada, o que

tagem em alguns casos, o efeito total da temperatura sobre os r que sobre o Ge. Por esta razo os transistores de Si so

ando-os. Os portadores minoritrios no se acabam, to sempre sendo recriados pela energia trmica. Nem os portadores otam, pois a gerao trmica de um portador minoritrio sempre

s vrias tcnicas de fabricao de diodos e transistores tm pelo menos um objetivo comum, este produzir um cristal no qual exista uma ou mais junes PN. As propriedades da juno N tornam possveis a retificao e a ao do transistor. Se um cristal de semicondutor reparado de modo que exista uma fatia de material tipo P adjacente a uma fatia tipo N, a terface entre os dois conhecida como juno PN. Esta situao est ilustrada na fig. 10.

Aqui encontramos uma abundncia de cargas livres positivas e o material ento chamado silcio ou germnio tipo P. Note que, nesta figura, o tomo de impureza torna-se um on negativo to logo um eltron de uma das ligaes covalentes alcance o buraco. Esse buraco original ento neutralizado mas um outro buraco aparece, exatamente no lugar de onde o eltron neutralizante veio. Se pequenas, mas iguais, quantidades de impurezas tipos P e N fossem misturadas ao semicondutor em fuso, teramos um cristal de comportamento muito prximo ao do semicondutor puro. A razo disto que os eltrons da impureza tipo N preenchem os buracos da impureza tipo P. Na realidade nenhum espcime prtico somente tipo P ou tipo N, mas a auncpode representar desvantransistores de Si ser menousualmente preferidos.

Eltrons numa regio N ou buracos numa regio P so, por razes bvias, chamados portadores majoritrios, enquanto que eltrons na regio P ou buracos na regio N so chamados portadores minoritrios. Devido ruptura das ligaes covalentes nenhum material semicondutor puramente N ou P. Ao invs disso, contm ambos os portadores: majoritrios e minoritrios. Os portadores majoritrios esto continuamente se recombinando com os portadores minoritrios, neutralizentretanto, pois esmajoritrios se esgacompanhada pela gerao simultnea de um portador majoritrio. Infelizmente a gerao trmica dos portadores minoritrios varia com a temperatura de uma forma exponencial. Isto torna os materiais semicondutores altamente sensveis temperatura, com o efeito sendo mais severo no germnio que no silcio. 3-4. A juno PN AePpin


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ize esta figura pois ser til mais tarde. ara entender as propriedades da juno PN considere a fig. 11. Para fins de ilustrao,

admita que, no instante zero, ns, de alguma forma, formemos um cristal no qual h uma interface entre uma regio N. Esta interface uma juno PN. Os crculos com sinais ( - ) na regi negativos da impureza. Estes ons so negativamente carre m eltrons para preencher os buracos introduzidos pelos tomo sinais ( + ) representam os buracos livres caminhando atrav os crculos com sinais ( + ) na regio N representam os ons fixos p oadoras que perderam seus eltrons fracamente ligados. Tanto a re

uniformemente. Em termos tcnicos dizemos que existe um gradiente de oncentrao de buracos da regio P para N. Analogamente existe um gradiente de oncentrao de eltrons da regio N para P e resulta na difuso de eltrons atravs da no. primeira vista, pareceria que eltrons e buracos manteriam a difuso atravs da no e recombinariam uns com os outros at que nenhum portador permanecesse ou at que ma ou outra espcie de carga permanecesse. No , entretanto, este o caso. Para cada uraco que cruza a juno de P para N, fica um on fixo negativo no neutralizado de cada lado a juno so chamados cargas espaciais, e o campo eltrico entre eles pode ser

convenientemente representado por uma bateria colocada atravs da juno como mostrada na fig. 12.

Se dois terminais forem ligados a esta estrutura temos um diodo a juno que est ilustrado esquematicamente sobre o cristal. Note que o nodo ( base da flecha ) corresponde ao material P enquanto o ctodo corresponde ao material N. MemorP

tipo P e uma regio tipoo P representam os ons fixos

gados porque eles capturaras aceitadores ( tipo P ). Os

s da regio P. Analogamente, ositivos das impurezas d

gio P quanto a

regio N so eletricamente neutras, pois existem tantos buracos livres quantos ons negativos na regio P e tantos eltrons livres quantos ons positivos na regio N. Admita que a juno PN j foi formada, que a temperatura seja constante, e que nenhuma voltagem foi aplicada ao cristal. O lado P est carregado com buracos livres e ons fixos negativos, enquanto que no lado N existem eltrons livres e ons fixos positivos abundantes. Como a concentrao de buracos no lado P muito maior que no lado N, os buracos difundiro na regio N. O mecanismo da difuso semelhante distribuio de molculas de tinta num copo de gua, aps uma gota de tinta Ter sido introduzida. As molculas de tinta tentam distribuir-seccjujuubd


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ristal preparado. A largura da regio de

um quadro melhorado das condies da

O

ortador minoritrio e ter m tempo mdio ( chamado tempo de vida ) antes de recombinar com um dos numerosos uracos disponveis. O tempo de vida de um portador minoritrio depende, claramente, do

nmero de portadores majoritrios circundantes, os quais, por vez, so determinados pelo nmero de tomos de impurezas introduzido no cristal. Se este eltron na regio P tem vida suficientemente longa para caminhar at as vizinhanas da juno, ele ficar sob influencia do campo eltrico l existente. O sentido do campo tal que o eltron ser forado a cruzar a regio de depleo ( regio contendo as cargas descobertas ) pois ele atrado pelos ons descobertos no lado N. Outra forma de visualizar, isto , de imaginar a bateria de barreira na fig. 12, forando eltrons do lado P para o lado N.

Esta barreira de potencial interna tende a restringir a difuso de buracos do lado P para o lado N e os eltrons do lado N para o lado P. A barreira de potencial interna fora tambm os portadores minoritrios, isto eltrons do lado P e buracos do lado N, a cruzar a juno. A regio adjacente e de cada lado da juno , portanto, relativamente livre de buracos e eltrons. Esta regio essencialmente livre de cargas chamada regio de depleo. A largura da regio de depleo depende da maneira pela qual o cdepleo do lado P no , necessariamente, a mesma que do lado N. O lado feito de material de resistividade mais elevada ( menos tomos de impureza ) ter uma regio de depleo mais larga. Os buracos que cruzam da regio P para a regio N recombinam com os eltrons no lado N. Analogamente, eltrons da regio N recombinam com buracos do lado P. Este fluxo de eltrons de N para P e de buracos de P para N constitui uma corrente de recombinao atravs da juno. Esta corrente de recombinao no permanece, no entanto, em um valor constante. Ela cai a valores extremamente baixos devido ao processo de recombinao manter cargas descobertas nas proximidades de juno. Os ons negativos descobertos no lado P comeam a repelir os eltrons do lado N enquanto a parede de ons descobertos positivos no lado N repele os buracos do lado P. A bateria na fig. 12 representa, portanto, a barreira de potencial formada pelas cargas descobertas, as quais inibem a corrente de recombinao. Assim, parece que uma condio de equilbrio estabelecida entre o potencial de difuso do gradiente de concentrao e a barreira de cargas descobertas. Se a agitao trmica fornecesse s cargas mveis a mesma energia cintica, esta simples explicao para as condies de equilbrio seria suficiente. No entanto, a energia trmica fornecida aos portadores mveis de carga est distribuda aleatoriamente. Estatisticamente falando, alguns buracos e eltrons possuem uma pequena quantidade de energia cintica enquanto outros possuem uma grande quantidade. Alguns dos portadores de alta energia sero capazes de vez por outra, vencer a barreira de potencial. Se esta fosse a nica ao, pareceria que a altura da barreira de potencial continuaria crescendo, num esforo de compensar os portadores de alta energia que conseguiriam venc-la. Finalmente, poderamos esperar que o ltimo dos portadores de carga a cruzar a barreira deixaria uma barreira de potencial bastante alta. Embora incompleto, este juno. Algo que desprezamos que nenhum material perfeitamente P ou N. O material P ter alguns eltrons livres, surgidos pela ruptura de ligaes covalentes por agitao trmica. buraco que produzido no diferente de qualquer outro buraco do lado P, onde os buracos so os portadores majoritrios. O eltron no material P constitui um pub


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or razes anlogas vemos que um buraco gerado termicamente no material N constitui um ortador minoritrio que ser forado a cruzar a regio de depleo do lado N para o lado P.

m

b

N e eltrons que atravessam a barreira no seposto. Como um buraco indo da esquerda para a direita equivalente a um eltron indo da

direita para a esquerda, as duas componentes da corrente de recombinao so aditivas, e podemos escrever:

PpO fluxo de portadores minoritrios atravs da juno ajudado pela barreira de potencial. Temos agora um quadro completo co o mostrado na fig. 13, abaixo.

Sem voltagem externa aplicada, as condies reais de equilbrio so, como segue. Existe uma corrente global de recom inao rI atravs da juno a qual consiste de buracos

ltrapassando a barreira do lado P parpI

ntido ra rnIuo

rnrpr III +=

Ao mesmo tempo a uptura de ligaes covalentes causa a formao de uma corrente global gerada termicamente gI evido aos portadores minoritrios que so forados a cruzar a barreira. Esta corrente gerada termicamente ter tambm duas componentes, uma componente de buracos gpI , que flui da regio N para P, e uma componente de eltrons gnI , que flui da regio P para N. Portanto:

rd

gngpg III +=

A corrente gerada termicamente depende somente da temperatura e , muita vezes

chamada rrente de saturao. Sob as condies de equilbrio os portadores que cruzam

a juno devido a compensam aqueles devido a a qual tem componentes fluindo nos

sentidos op tos ao de . O resultado final que corrente total na juno zero, o que eve ser verdade pois se curto-circuitarmos a juno PN com um pedao de fio, nenhuma orrente circula pelo fio. A altura da barreira ter um potencial de valor tal que permita a orrente de recombinao igualar-se exatamente corrente gerada termicamente. A

gI, co

os

sI

gIs

rI , a gI

dccrepresentao esquemtica de um diodo a juno est novamente mostrado na fig. 14. Como mostrado, o nodo consiste de um material P e o ctodo consiste de um material N.


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que V corrente ( fluxo de ue, embora eltrons senta o sentido de

diodo como mostrado na fig. 15, diz-se que o diodo ndo polarizado diretamente, V uma quantidade

mantido num potencial positivo em relao ao

co atravs da juno o qual ope barreira de

nao ( majoritria ) aumenta. Intuitivamente a empurrar os buracos do lado P para o lado N e

enta grandemente a corrente atravs da juno. e fato, necessrio ou manter V bastante pequeno ou inserir um resistor limitador de corrente m srie com a fonte de voltagem para manter a corrente no diodo num valor razovel.

a corrente no diodo e a voltagem aplicada externamente :

A fig. 14 tambm indica alguns sentidos de referncia para voltagem e corrente. Noterepresenta a voltagem no nodo em relao ao ctodo, e I representa a

ltrons ) entrando pelo ctodo e saindo pelo nodo. Deve ser entendido qe buracos fluam no interior do semicondutor, a corrente externa I reprereferncia admitido como positivo do fluxo de corrente.

e

3-5. Polarizao direta Se uma fonte de voltagem aplicada aoest polarizado diretamente. Note que quapositiva, o que significa que o material P material N. A voltagem externa V forma um campo eltripotencial, portanto, reduz seu efeito. Consequentemente, a corrente de recombipodemos ver que a voltagem V tender

s do lado N para o lado P, o que aumeltronDe

Entretanto a corrente gerada termicamente virtualmente no afetada pois esta corrente depende, pelo menos em teoria, somente da temperatura e no da voltagem aplicada. Uma relao terica entre


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1) -

= 1. TV

V

SII

Nesta equao SI a corrente de fuga gerada termicamente, s vezes chamada corrente de saturaser um positiva ou n

o. A voltagem V representa a voltagem do material P em relao ao material N e pode a quan egativa, dependendo da polaridade da voltagem aplicada. Se

uma quant e positiva, ele normalmente chamada voltagem direta, . Se V uma

normalmente chamada voltagem rsa, . orresponde corrente I, no sentido referncia mostrado, pode ser uma quantida ositiva ou n endendo da polaridade da voltagem aplicada. Se aco rente

V uma quan negativa ou uma voltagem rsa. A quantidade dimensVolts e dada

) -

tidadeidad

ntemente, a egativa, dep

tidade

FV reve

r

tem

V

RVde

uma

o de

quantidade negativa, elaCpquantidade positiva, ela normalmente chamada corrente direta FI , correspondendo condio de aplicao de uma voltagem direta FV . De outro lado se I uma quantidade negativa ela chamada normalmente corrente reversa RI , correspondendo condio na qual

por:

reve TV

voltsTV =

st relacionada com a temperatura em graus Celsius por:

) -

2 T 11000 T a temperatura em graus Kelvin e e 3 273+= CelsiusKelvin TT

) - 4 = nmero entre 1 e 2

uantidade uma constante relativa geralmente tomada como 1 para o germnio. Para ilcio, pode variar de aproximadamente 2 nas baixas correntes, digamos menos de 0,2 mA,

roximadamente 1 para correntes diretas maiores que 0,2 mA. Na temperatura ambiente, nto que a equao 1) com admitido = 1 e para V 100 mV,

A qsat ap27C, = 26 mV. Vemos eTV

S TV

V

I . Por razo anloga, SII I se V uma quantidade negativa ( polarizao

) -

reversa ) alm de 100 mV. A inclinao da caracterstica corrente-direta versus coltagem-direta representa a condutncia ( ac ) do diodo quando ele est diretamente polarizado. O valor terico desta condutncia fg pode ser determinada por:

T

f VIg. 5

O reciproco da condutncia direta a resistncia direta. Portanto a resistncia dinmica direta :


6) - IVr Tf.=

A corrente I a corrente esttica ( dc ) atravs do diodo. A equao 6) - indivalor admitido de = 1, um diodo polarizado diretamente apresentar uma rede 26 Ohms para uma corrente direta de 1 mA e 2,6 Ohms par I = 10resistncia dinmica direta ser sempre algo mais elevado que o valor terico da resistncia dos terminais e do volume do material que aparecem em srie

ca que, para um sistncia dinmica

mA. O valor real da devido ao efeito

com . A fig. 16 ilustra uma caracterstica direta de um diodo de silcio de baixa potncia.

corrente direta est plotada para trs valores diferentes de temperatura. Evidentemente, edida que a temperatura aumenta, a voltagem direta decresce. Especificamente, se a

constante, a voltagem direta cair tipicamente a uma razo de 2 3 mV para cada C de aumento da temperatura. Matematicamente isto expresso por:

fr

Amcorrente do diodo for mantidaa

7) - CmVdTdVT /5,2

Note que este coeficiente de temperatura negativo, o que implica num decrscimo da voltagem direta com um aumento da temperatura. Na prtica este coeficiente de temperatura tende a se tornar menos negativo medida que a corrente direta aumenta e para nveis e corrente elevados pode atingir valores levemente positivos.

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d


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-6. Polarizao reversa

dade negativa, de modo que o material P rial N, o diodo dito estar reversamente polarizado.

mpo eltrico estabelecido por V de polaridade tal que nsequentemente, a corrente de recombinao, que

eltrons indo de N para P, drasticamente reduzida. A egativa devido ao fluxo de portadores gerados

ente, o diodo no exibiria corrente reversa alguma e rada termicamente comumente referida como

fuga consiste realmente de duas componentes , pende da magnitude da polarizao reversa

componente devido aos efeitos de perdas na o termina, nas extremidades do cristal.

A componente de corrente de fuga devido aos efeitos de superfcie sensvel voltagem, de modo que a corrente de fuga aumenta na prtica com o aumento da polarizao reversa. Isto est ilustrado na fig. 18. Note que mostrada em linha tracejada um valor pequeno e constante que variaria com a temperatura, mas no com a polarizao reversa.

3 Se, como mostrado na fig. 17, V uma quantimantido negativo com relao ao mateQuando reversamente polarizado, o case soma barreira de potencial interna. Coconsiste de buracos indo de P para N e corrente externa I uma quantidade ntermicamente atravs da juno. Idealmassim esta pequena corrente reversa gecorrente de fuga. Na prtica, a corrente dea componente gerada termicamente, que inde ( depende somente da temperatura ), e umasuperfcie, que se manifestam onde a jun

; SI

SI


Prof. Corradi 17

corrente reversa real, devido aos efeitos de perdas na superfcie, exibe uma componente tncia atravs da juno, desde que um aumento na polarizao reversa causa

m aumento na corrente reversa. Como regra pode-se admitir que a componente gerada .

versamente polarizada, a maior parte da tenso reversa de cargas livres

tras palavras, a queda de tenso voltagem total aplicada. A regio

ndo tipicamente da ordem de 0,0001 in ( polegadas ), ou pequena voltagem reversa, digamos 6 Volts, desenvolveria um campo

eltrico de alta intensidade de campo pode causar a ruptura dncia cai consideravelmente devido gerao por uma ionizao e/ou fenmeno de emisso

gio de ruptura so comumente enominados diodos zener ou de avalancha. Outro termo s vezes usado para estes diodos

or. Este termo provm do fato de, na ruptura ( note fig. 17 ), a voltagem reversa er mantida neste exemplo, num valor substancialmente constante de 20 Volts. Se a dissipao e potncia do diodo limitada em um valor seguro, ento a operao na regio de ruptura

e 3 Volts at varias centenas de Volts estudas mais adiante em um

aumento da temperatura.

Ahmica de resisutermicamente, aproximadamente dobra a cada aumento de 10C na temperaturaQuando uma juno PN est reaplicada externamente aparece sobre a regio de depleo, pois a regioque apresenta a mais alta resistncia do circuito. Em ouatravs da regio de depleo ser, em geral, quase igualde depleo bastante estreita, semenor. Ento uma

intensidade 60.000 Volts/in. Esta da juno. Quandode muitos portadores adicionais de corrente

a juno rompe, sua impe

secundria. ( ver mais detalhes no anexo 1 ). Diodos convenientemente projetados para serem usados na reddiodo reguladsdno destrutiva. A voltagem de ruptura, que pode ser ddeterminada pelo processo de fabricao. Estes diodos sero item exclusivo a ele. A voltagem reversa de ruptura V ( BD = Breakdown ) algo dependente BDda temperatura. Para diodos cuja ruptura cerca de 5Volts ou menos BDV apresenta um coeficiente de temperatura negativo. Isto , BDV decresce com o aumento da temperatura. De outro lado, diodos que exibem um BDV de cerca de 6 Volts ou mais, tendem a apresentar um

ficiente positivo de temperatura. Isto , BDV aumenta com o coe


Prof. Corradi 18

a faixa entre 5 e 6 Volts, possvel encontrar diodos que apresentam um coeficiente de mperatura quase nulo, o que os torna altamente vantajosos como fontes de referncia de

cifico do diodos zener num prximo item.

o tem utilidade na eletrnica? . O que buraco e/ou lacuna? . Que influncia o semicondutor sofre com a intensidade de dopagem?

a) Polarizao direta; b) Polarizao reversa.

O que corrente direta e tenso reversa? 9. Como devemos testar um diodo a juno utilizando um Ohmimetro? 10. Como sabemos que um diodo est em curto e/ou aberto? Responda: 1. Quais so os portadores majoritrios na regio N? 2. Como controlada a corrente de recombinao num diodo? 3. O que acontece com a largura da regio de depleo quando a voltagem reversa

variada? 4. Como est a resistncia direta de um diodo, relacionada com a corrente direta? Assuma T

= 27C. 5. A uma corrente direta de 12 mA e a 25C, a queda de voltagem esttica (dc) atravs de um

diodo 0,31 V. Se a corrente direta fosse mantida constante, mas a temperatura aumentasse para 50C, qual seria a nova voltagem direta?

6. Determine E na fig. abaixo.

. Determine o coeficiente mdio de temperatura para uma faixa de 50C a 100C para um diodo polarizado, tendo as caracterstica mostradas na fig. abaixo. Assuma que a corrente direta mantida constante em 20 mA.

Ntevoltagem, veremos estas aplicaes no estudo espe Segunda srie de exerccios Questionrio . Porque o semicondutor na sua forma pura n1

234. Qual a influncia da temperatura nos semicondutores? 5. Que caractersticas apresenta um diodo a juno? 6. O que barreira de potencial? . Defina: 7

8.

7


8. Determine o ponto Q para um diodo tendo as caracterstica diretas da fig. abaixo, quando

usado no circuito dado abaixo.

Prof. Corradi 19


Prof. Corradi 20

. Como voc mediria a componente da corrente reversa de um diodo, gerada termicamente?

rcuitos mo

ao alquer

aro pode orna

V-I de gem e

K ) ravs

19

strada s tem

aracterstica aproximada do diodo real da fig. 19. ara checar a validade deste modelo discreto devemos notar que para V grande e negativo ( uponha uma fonte de voltagem conectada entre os terminais de entrada ) D1 est, eguramente reversamente polarizado (OFF) e D2 est diretamente polarizado (ON). Como

estes diodos so ideais, eles simulam, respectivamente, chaves aberta e fechada.

910. Se o diodo no circuito da fig. abaixo tem a caracterstica mostrada na mesma figura,

determine I e V a 25C.

4. Circuitos equivalentes do diodo

Como os diodos e dispositivos derivados do diodo so comumente encontrados em cieletrnicos, torna-se bastante til desenvolver um circuito equivalente ao diodo prtico. Coveremos, o diodo prtico pode ser representado em termos do diodo ideal. 4-1. Modelos discretos de diodos Uma forma de desenvolver um circuito equivalente para o diodo usar a tcnica de modelpor partes ou modelaes discretas. Essencialmente ela consiste na partio de qutrecho no linear da curva caracterstica, em um nmero de segmentos retos, que aproxima curva para qualquer grau desejado. Um circuito equivalente, baseado nos diodos ideais, ento ser desenvolvido. Quanto maior o nmero de segmentos retos, mais complicado se to circuito equivalente. Para ilustrar o desenvolvimento de um modelo discreto de um diodo, considere a curvaum diodo mostrado na fig. 19 a qual est baseada nos sentidos de referncia para voltacorrente mostrado na fig. 20. A voltagem V referida como a voltagem do ctodo ( terminal para o nodo ( terminal A ) e a corrente I tem o sentido positivo de nodo para ctodo, atdo diodo. Para diodos de silcio ( que so os mais comumente usados ) a curva V-I da fig.

ode ser aproximada pelos segmentos de reta ( trechos lineares ) da fig. 21. m circuito equivalente ( modelo discreto ) que levaria a esta caracterstica V-I est moa fig. 22. Os diodos na fig. 22 so diodos ideais e este modelo a dois diodos ideai

pUncPss


Prof. Corradi 21

a quantidade negativa. A ntal vista quando se ramente esta .

Portanto, para V < o ponto de operao est na regio 1 e I uminclinao do segm na regio 1 determinada pela resistncia incremeolha pelos terminai odelo na fig. 22, com D1 OFF e D2 ON. Cla

Portanto, na regio 1 a inclinao

BDVento s do m Zr

ZrVI /1/ = .

Faamos . Neste ponto a caracterstica V-I da fig. 21 mostra uma descontinuidade abrupta chamada ponto de quebra e, neste ponto de quebra, D2 passa de ON para OFF e I cessa de fluir. O ponto de operao entra agora na regio 2. Com ambos os diodos OFF a impedncia vista, quando se olha pelos terminais de entrada do modelo, infinita. A condutncia , portanto, zero e a inclinao da caracterstica V-I na regio 2 zero, desde que nenhuma variao de corrente pode ocorrer devido a uma variao de voltagem. Quando a voltagem V aplicada tornar-se positiva a V, o diodo D1 torna-se ON e o ponto de operao entra na regio 3.

BDVV =


Prof. Corradi 22

A corrente agora uma quantidade positiva dada por ( )VVI ' Fr/= e a impedncia de te que como usado entrada na regio 3 Fr . A inclinao da curva V-I portanto 1/ Fr . No

no modelo no o mesmo que ImVIVr TF /26/Fr

== ( a 27C ). Na a algum valor mdio, para o qual se aproxima a curva do diovoltagem, enquanto Fr , derivada da equao do diodo, a resistncioperao particular. As quantidades com ndices maisculos sero modelo discreto. Embora o modelo de diodo a semicondutor da fig. 22 seja geralmente addos casos e problemas, existem situaes em que a curva V-I de umaproximao principalmente na caracterstica reversa; porem estecomplexos e fogem do escopo desta apostila. ( em livros para o terceiencontrar tais modelos ). Exemplo Desenvolver um modelo discreto para a caracterstica do diod

prodo para uma

a dinmi

ximao lin

ca n

ear, larga faixa de

um pontoo geralmente associadas com

equado para a maioria diodo requer melhor

s modelos so mais ro grau o aluno poder

o da fig. abaixo.

luo: A fig. abaixo ilustra o modelo discreto. Ele conter no mnimo dois diodos ideais j que existem

e 400 V, o ponto OFF. Portanto,

Fr

de

So

dois pontos de quebra na caracterstica V-I. Para V menor ( mais negativa ) qude operao est na regio zener e D1 est ON. O diodo D2 est

VVBD 400= e Zr , como determinado pela inclinao da curva

== 41Vr Z = 100101004000

3xI


Prof. Corradi 23

0 V < V < 0,8 V ) D1 e D2 esto OFF inita. Para V mais positiva que 0,8 Volts,

o ns obtemos:

ssim nosso circuito equivalente fica:

e juno PN

s circuitos eletrnicos de forma geral necessitam de uma alimentao dc para poder trabalhar orretamente. Como a tenso que recebemos em nossas residncias e industrias alternada,

a primeira coisa a ser feita em qualquer equipamento eletrnico converter a tenso ac em tenso dc. Neste item iremos discutir a retificao, trata-se de circuitos que realizam a converso de uma tenso ac para uma tenso dc. Veremos tambm filtros com capacitores de entrada. 5-1. Tenso de corrente alternada ( onda senoidal ) A onda senoidal o mais bsico dos sinais eltricos; ela usada muitas vezes para testar circuitos eletrnicos. Alm disso, sinais complicados podem ser reduzidos a uma superposio de varias ondas senoidais. Neste item iremos verificar rapidamente as caractersticas bsicas de uma onda senoidal, de forma que possamos compreender melhor o funcionamento dos circuitos retificadores ( conversores estticos ). Em outra disciplina voc ter maiores detalhes da tenso de corrente alternada.

-2 Corrente Alternada ( valores e formas de representao )

ra abaixo:

Para V maior que 400 Volts mas, menor que 0,8 Volts ( -40de modo que a resistncia reversa nesta regio infD2 torna-se ON. Da inclinao da curva nesta regi

=== 410200

8,06,13xI

VrZ

A

5. Aplicao dos diodos d Oc

5 Observe a figu


Prof. Corradi 24

qncia

Perodo ( T Logo:

reqncia ( f ) = nmero de voltas completados em um segundo, podemos afirmar ento:

Observao: O segmento OA denominado de vetor girante ( fasor ), a velocidade ou freangular, o angulo por unidade de tempo; assim temos:

Onde: em r

adianos ( rad. ) e t = tempo em segundos ( s ) ) = tempo que o vetor OA ( fasor ) leva para completar um volta.

F

t t. ==

T

.2ou .t 2. .t

T t , rad. .2

=====

T

f

f

Tff

..2 1.2

: ento 1 Assim 1

1

===

Eletrnica Dispositivos de estado slido Da trigonometria podemos tirar :

Prof. Corradi 25

portanto podemos expressar a ela equao:

onde um angulo de fase inicial. Observe a expresso abaixo

nto voc capaz de dizer que sinal este, onde podemos encontra-lo?

b = trata-se de um valor em um determinado instante de tempo, onda senoidal em forma de uma funo dada p

E

sen.)()(

tt

vbv

b ==sen

( ) += tVv t .sen.max

( )[ ]Vtvt .377sen.61,179=


Prof. Corradi 26

-3. Representao Fasorial 5 ( )30sen10 += tvt Observe:

Da trigonometria pode

mos escrever:

epresentaes:

orma trigonomtrica:

orma polar:

etangular:

30cosmax=x VV

R

F 0max0max.

sencos jVVV +=

.F = VV 0max

Forma algbrica ou r yx jVVV =.

Assim podemos escrever a equao ( )30sen10 += tvt , de duas formas, observe:

etangular : 8,66 + j 5 [V]

-4. Outros valores importantes Valor de pico a pico

66,8

30senmax==

y

y VV

5=x

VV

Polar : 10 30 [V] ; R 5

O valor de pico a pico de qualquer sinal a diferena entre o seu mximo e o mnimo algbrico:


.minmax VVVpp =

s palavras, o resistor dissipa uma quantidade constante de calor, como se houvesse uma tenso dc atravs dele.

valor rms ( raiz media quadrtica, do ingls root mean square ) de uma onda senoidal,

Assim para uma senoide, o valor de pico a pico 2Vp. Em outras palavras, o valor de pico a pico de uma onda senoidal o dobro do valor de pico. Dada uma senide com um valor de pico de 15 V, o valor de pico a pico ser de 36 V. Valor eficaz ( RMS ) Se uma tenso senoidal aparecer atravs de um resistor, ela produzir uma corrente senoidal em fase atravs do resistor. O produto da tenso instantnea pela corrente d a potncia

stantnea, cuja mdia durante um ciclo resulta numa dissipao mdia de potncia. inEm outra

Otambm chamado valor eficaz ou valor de aquecimento, definido como a tenso dc que produz a mesma quantidade de calor que a onda senoidal. Os cursos bsicos mostram que

prms VV 707,0= Podemos provar estas relao experimentalmente construindo dois circuitos: um com uma

nte dc seguida de um resistor e um outro com uma fonte senoidal ligada a um resistor de Se a fonte dc for ajustada para produzir a mesma quantidade de calor que a

nda senoidal, mediremos uma tenso dc igual a 0,707 vezes o valor de pico da onda senoidal.

fomesmo valor. o( uma outra forma de se provar que prms VV 707,0= atravs de matemtica avanada ). Valor mdio O valor mdio de uma onda senoidal ao longo de um ciclo zero. Isto porque a onda senoidal simtrica: cada valor positivo da primeira metade do ciclo compensado por um valor igual negativo da Segunda metade do ciclo. Portanto, se voc somar todos os valores da onda seno

ntre 0 e 360, ter zero como resultado, o que implica um valor mdio zero. eEm outras palavras, u

or que? Porque o pom voltmetro dc indicar zero se usado para medir uma onda senoidal. nteiro de um voltmetro dc tenta flutuar positiva e negativamente com

amentos eletrnicos residenciais ou industriais vem da linha de s companhias concessionrias e estas linhas so perigosas devido a

dor de tenso Alguns equipamentos eletrnicos ( a cluem um transformador como o da fig., abaixo para abaixar ou elevar a te rme exigir a aplicao. As tenso de

m transformador esto relacionados da seguinte forma:

Pamplitudes iguais, porm a inrcia das partes mveis o impede de faz-lo, ento ele indica um valor mdio igual a zero. ( isto supe uma freqncia maior do que aproximadamente 10 Hz, de modo que o ponteiro no possa acompanhar variaes rpidas. ) 5. O transformador A alimentao dos equip

nergia fornecidas pelaesua resistncia Thevenin aproximar-se de zero. Isto que dizer que ela pode fornecer centenas de ampres. Mesmo com um disjuntor no circuito, ela ainda pode liberar dezenas de ampres, dependendo das dimenses do circuito disjuntor. Abaixa

grande maioria ), innso da linha, confo

u

S

PS

P

S

II

VV

NN ==

P

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Prof. Corradi 28

nde:

Esta tenso mais baixa um pouco ma ra se trabalhar do que os 127 V rms, e um alor tpico exigido por alguns circuito utores. Alm disso, o transformador isola a arga ( todos os circuitos que voc est medindo ) da rede. Isto quer dizer que a nica ligao om a rede de alimentao atravs do campo magntico que pe em comunicao os nrolamentos do primrio e do secundrio. Isto reduz ainda mais os perigos de um choque

ara um transformador ideal, temos as seguintes relaes:

O

primrio do corrente I;secundrio do corrente I

primrio; do tensoV;secundrio do tensoV

primrio; do espiras de nmero Nsecundrio do espiras de nmero N

P

S

P

S

P

S

====== ;

Um exemplo: Suponha que para o circuito acima a relao de espiras seja de 9:1, ento

rmsV 11,14=== SS V 9127

91V

127

is segura pas de semicondv

cceeltrico porque no existe mais um contato eltrico direto com os dois lados da rede.

usvel F P

S

P

P

S

II

NN =

Eletrnica Dispositivos de estado slido Voc pode usar esta equao para calcular os valores do fusvel. Por exemplo, se a corrente de carga for de 1,5 A rms e a razo de espiras de 9:1, ento

Prof. Corradi 29

to que dizer que o fusvel deve Ter um valor maior que 0,166 A, mais 10% no caso da tenso e linha ser alta, mais aproximadamente outros 10 % para perdas no transformador ( essas

alor de fusvel padro imediatamente uperior, 0,25 A ( de fuso lenta no caso de oscilaes da rede ), provavelmente seria

el de evitar dano excessivo no caso da resistncia da carga er posta em curto acidentalmente.

ios circuitos eletrnicos necessitam de uma alimentao dc e stes equipamentos so ligados as linhas de alimentao. Como os sinais transmitidos por stas linhas so ac necessrio convertermos este tipo de tenso em uma tenso dc. ortanto, o processo de converso de um sinal ac em uma tenso dc conhecido como

o circuitos eletrnicos que fazem esta converso, os

a; ) Retificador de onda completa com transformador com derivao central; ) Retificador de onda completa em ponte.

eremos agora cada um deles analisando o seu funcionamento, caractersticas eltricas, todos de projeto e topologia.

-2. Retificador de Meia Onda Observe o circuito abaixo:

Isdperdas produzem corrente adicional no primrio ). O vssatisfatrio. A finalidade do fusvs Obs.: Voc ir ter mais informaes sobre transformadores em outra disciplina; para compreendermos o funcionamento bsico dos retificadores a informao aqui oferecida suficiente. 6. Aplicao dos diodos em circuitos retificadores 6-1. Retificadores estticos No item 5 comentamos que vreePretificao. Os retificadores so entretificadores bsicos so: A) Retificador de meia ondBC Vm 6

rmsA 166,095,19=== PP I 5,11 I


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uma tenso dc ulsante. Podemos concluir que a tenso na carga sempre positiva ou zero.

enominado de tenso dc pois o valor medido por um voltmetro e dado por:

ou

Devemos observar que o circuito acima converteu a tenso ac de entrada emp Tenso mdia na carga D

Pdc VV .318,0= P

dcVV = .

Como obtido este valor?

oluo matemtica: S

( )( ) ( )( )

Pmdio

PPPmdio

T

T Pmdio

VV

VVVV

dVvdtT

V

=

===

==

2.2

1122

sen211

]0coscos[ 0

0

2

1


Prof. Corradi 31

specificaes de corrente e tenso para o diodo:

Onde: a corrente direta do diodo e a tenso

versa mxima repetitiva que o diodo pode suportar.

xerccio de aplicao:

tncia de carga? A tenso mdia? A corrente mdia atravs da resistncia de carga?

pecificaes de alguns diodos em termos de corrente direta:

; A;

) 1N 4002 - = 1 A;

e a tenso do secundrio for de 120 Vac no circuito anterior, qual o tipo de diodo dado acima

specificaes de alguns diodos em termos de tenso reversa:

) 1N 4002 - = 100 V;

ada uma tenso do secundrio de 60 Vac no circuito do exerccio 1, qual a Vrrm atravs do iodo? Qual dos diodos anteriores pode ser usado?

mpleta com transformador com tomada central

bserve o circuito abaixo:

E

)(

max

picoVVII

SRRM

RF L

FI RRMV

re E 1- O transformador da fig. abaixo tem uma tenso do secundrio de 30 Vac. Qual a tenso de

pico atravs da resis

2- Abaixo temos as es a) 1N 914 - = 50 mAb) 1N 3070 - = 100 mcd) 1N 1183 - = 35 A. Sque pode ser usado? 3- Abaixo temos as e a) 1N 914 - = 20 V; b) 1N 3070 - = 50 V; cd) 1N 1183 - = 175 V. Dd 6-3. Retificador de onda co O


Onde: (a) Retificador de onda completa; (b) Sada retificada; (c) Semiciclo positivo; (d) Semiciclo negativo; (e) Tenso de pico inversa e/ou tenso reversa repetitiva mxima. Tenso mdia de sada Podemos observar um efeito de duas vezes a sada do retificador de meia onda portanto, podemos verificar que este retificador mais eficiente do que o primeiro, ou seja:

PV.2

PPdc VVxV ou 636,0318,02 = Freqncia O perodo T de uma onda repetitiva o tempo entre pontos equivalentes ou correspondentes da onda. A freqncia f o inverso do perodo T. Num retificador de meia onda, o perodo da sada igual ao perodo da entrada, o que quer dizer que a freqncia da sada a mesma que a freqncia da entrada. Em outras palavras, para cada ciclo na sada voc tem um ciclo na entrada. Por esta razo, a freqncia que sai de um retificador de meia onda de 60 Hz, o mesmo valor da freqncia da rede. Um retificador de onda completa j diferente. Observe atentamente a figura anterior item (b), veja que o perodo a metade do perodo da entrada. Colocando de outra forma, ocorrem dois

Prof. Corradi 32

Eletrnica Dispositivos de estado slido semiciclos na sada para cada ciclo na entrada. Isto acontece porque o retificador de onda completa inverteu a metade negativa do ciclo da tenso de entrada. Disto resulta que o retificador de onda completa tem uma freqncia de 120 Hz, exatamente o dobro da freqncia da rede. Especificao dos Diodos:

) todo"secundrio(" )(2

picoVV

II

SRRM

RF

L

Exemplo de aplicao: No circuito abaixo a tenso do secundrio de 30 V ac. Utilizando diodos ideais, calcule a tenso de carga dc. Deduza tambm as especificaes e para os diodos. FI RRMV

Resoluo : 6-4. O Retificador em ponte Veremos agora o retificador em ponte, a forma mais fcil de se retificar, porque ele alcana a tenso de pico completa de um retificador de meia onda e o valor mdio mais alto de um retificador de onda completa. Observe o circuito abaixo:

Prof. Corradi 33


Prof. Corradi 34

enso mdia de sada: T Desprezando as quedas no diodo, o pico da tenso de carga )()( picoSpcoSada VV = . Observe que toda a tenso do secundrio aparece atravs do resistor de carga; este um dos motivos que tornam o retificador em ponte melhor do que o retificador de onda completa visto no item anterior, onde somente metade da tenso do secundrio chegava at a sada. Alm disso, um transformador com derivao central que produza tenses iguais em cada metade do enrolamento secundrio difcil e caro de ser fabricado. Pelo fato da sada da ponte ser um inal de onda completa, o valor mdio ou dc

specificao dos diodos:

s

)(636,0 picoSdc VV = E

)(2

picoVV

II RF L

SRRM


Prof. Corradi 35

-5. Quadro resumo Retificadores Mdios Ideais

Meia Onda Onda Completa Ponte

6

Nmero de diodos 1 2 4 Tens co de o de pi

sada

Vs (pico)

0,5 Vs (pico)

Vs (pico) Tenso dc de sada 0,318 Vs (pico) 0,636 Vs (pico) 0,636 Vs (pico)

Co o Idc 0,5 Idc 0,5 Idc rrente dc do diodTenso de pico

Vs (pico) Vs (pico) Vs (pico) inversa

F reqncia deondulao

f (ent.)

f (ent.)

f (ent.)

Tenso dc de sada 0,45 Vs (rms) 0,45 Vs (rms) 0,9 Vs (rms) PROBLEMAS

e 60 V. Determinar para cada um dos circuitos abaixo a forma de onda da tenso de sada.

ual a tenso de pico da carga? Qual a tenso dc da carga? Qual a corrente de carga dc?

avs de cada diodo. Qual a corrente mdia retificada que passa atravs de cada diodo?

carga dc? Qual a corrente dc atravs de cada diodo? Qual a Vrrm atravs de cada diodo?

1- A tenso de entrada Es de forma triangular com um valor pico a pico d

2- Na fig. K, a tenso do secundrio de 40 V ac. Q

3- Dada uma tenso de secundrio de 40 V ac na fig. K, calcule a corrente de carga dc e a

Vrrm atr

4- A tenso do secundrio na fig. L de 60 V ac. Qual a corrente de


Prof. Corradi 36

- Os diodos da fig. L tm uma especificao de corrente direta de 150 mA e uma especificao de tenso reversa de 75 V. Estes diodos so adequados para a tenso do

abemos que a sada de um retificador mdio uma tenso dc pulsante. O que a tenso dc constante, assim para

da completa em tenso dc constante, xo e as formas de onda:

5

secundrio de 40 V ac?

7- O Filtro com Capacitor de entrada Snecessitamos nos circuitos eletrnicos de umconvertermos um sinal de meia onda e de onprecisamos usar um filtro. Observe o circuito abai


Prof. Corradi 37

las cargas e descargas do capacitor. Quanto menor a ondulao, melhor a retificao.

-1. Determinao da tenso de ondulao

odemos dizer que a ondulao a variao da tenso do intervalo t1 e t2.

cidade elementar tiramos que :

- Conclumos que a tenso de carga agora uma tenso dc quase perfeita. O nico desvio

so as pequenas ondulaes causadas pe

7 P

EqC =D eletri , ento:

eletricidade elementar vimos que

tttCt .qCVqV

CqV

Cqq

EE

Cq

ECq

E

ondond

ond

===

==

==

.

tempodo funo na :ento

t2. e t1 entre diferena a

ondulao de tensoa :Obs. e

..

.21

21

22

11

tiq = . ; assim: D


Hzf 120 completa onda der retificado60 onda meiar retificado :Obs.

rretificado do sada de freqncia filtro; decapacitor do iacapacitnc C

max. carga de corrente a )(i onde .

:fica ondulao de tensoa assim ..1.

1 T perodo ao igual t tempoum

para socapacitor o para descarga de criticas condies As

..

C.

..

..

==

==

=

==

Hzf

f

fCiV

ifCVi

f

CV

fT

tCVi

tq

tCV

Cond

ondond

ondond

=

==

7

Prof. Corradi 38

pacitor de filtro. Assim iremos escolher ma ondulao no superior 10% da tenso de pico.

o de sada na carga de um circuito retificado om filtro capacitor podemos estabelecer que:

-2. Orientao para um projeto Podemos estabelecer um compromisso entre uma ondulao pequena e uma capacitncia grande. Vamos admitir uma regra para a escolha do cau Tenso dc na carga Observando a forma de onda aproximada da tensc

2.ond

picodcVVV = e a resistncia efetiva de sada ser :

specificaes dos diodos

Meia onda :

CfRO ..5,0= . E

)sec(

max

.2 pcoRRM

RF

VV

IIL


Prof. Corradi 39

Onda completa :

).(sec

2(max)

picoRRM

RF

VV

II L

Exerccios de aplicao 1- Um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada tem uma tenso de pico na

sada de 25 V. Se a resistncia de carga for de 120 Ohms e a capacitncia de 560 F, qual

a ondulao de pico a pico? Quais as especificaes mnimas de e dos diodos?

dc de sada para uma tenso do secundrio de 12 Volts ac e C = 820 F? Qual a ondulao de pico a pico? Quais as especificaes dos diodos e a tenso de isolao do capacitor?

a ondulao de pico a pico? 2- A tenso do secundrio de 25 V ac na figura abaixo. Qual a tenso de carga dc se C =

330 F? Qual FI RRMV

3- O circuito abaixo mostra uma fonte de alimentao dividida. Devido derivao central

aterrada ( fonte simtrica ), as tenses de sada so iguais e com polaridade oposta. Quais as tenses


Prof. Corradi 40

- Uma onda senoidal com um pico de 25 V aplicada ao circuito que aparece na figura abaixo. Descreva a tenso de sada.

igado em srie com um circuito cuja resistncia Thevenin seja de 1 K, os diodos atravs do medidor podem ser de grande utilidade. Para que voc acha que eles podem servir?

m valor um pouco mais baixo do que a

ste com um ohmmetro, voc percebe que todos os diodos do exerccio (2)

de 127 V ac? Qual deve ser o valor do capacitor do filtro e sua tenso de isolao? Quais as especificaes mnimas para os seus diodos? Esboce

tral de 48 V ac que produza uma ondulao de 10 % atravs do filtro com capacitor de entrada com uma resistncia de carga de 330 . Quais as especificaes mnimas dos diodos?

4

5- O ampermetro do circuito abaixo tem uma resistncia do medidor de 2 K e uma corrente

para fundo de escala de 50 A. Qual a tenso atravs desse ampermetro quando ele indicar fundo de escala? Os diodos s vezes so ligados em derivao (shunted) atravs do ampermetro, como mostra o circuito abaixo. Se o ampermetro estiver l

6- Voc mede 24 Vac atravs do secundrio do circuito do exerccio dois (2). Em seguida

voc mede 21,6 V dc atravs do resistor de carga. Sugira alguns problemas possveis.

A tenso de carga dc do circuito do exerccio (2) tem u7- deveria. Olhando para a ondulao com um osciloscpio, voc descobre que ela tem umfreqncia de 60 Hz. Quais so as possveis causas?

8- No h tenso de sada no circuito do exerccio (2). Quais so as possveis causas?

Fazendo um te9- esto abertos. Voc substitui os diodos. O que mais voc deve verificar antes de ligar a alimentao?

10- Voc est construindo um retificador em ponte com um filtro com capacitor de entrada. As

especificaes so uma tenso de carga dc de 15 V e uma ondulao de 1 V para uma resistncia de carga de 680 . Que tenso de rms o enrolamento do secundrio deve produzir para uma tenso de linha

o circuito eltrico de seu projeto. 11- Projete um retificador de onda completa usando um transformador com derivao cen


Prof. Corradi 41

2- A fonte de alimentao dividida do exerccio (3) tem uma tenso do secundrio de 9 V ac. Escolha os capacitores de filtro, utilizando a regra dos 10 % para a ondulao.

seja de 12,6 V ac, uma sada dc de aproximadamente 17,8 V em 120 mA, e uma Segunda sada dc por volta de 35,6 V em 75 mA. Quais as especificaes mnimas dos diodos?

o do secundrio na figura abaixo de 25 Vac. Com a chave na posio mostrada qual a tenso de sada ideal? Com a chave na posio mais baixa, qual a tenso de sada ideal?

as seguintes caractersticas: V dc = 30 V, potncia dissipada pela carga de 300 mW. Apresentar: esquema eltrico, clculos, lista de componentes e lay out da placa impressa.

1

13- Construa uma fonte de alimentao que preencha as seguintes especificaes: a tenso

de secundrio

14- A tens

15- Projetar um retificador de onda completa com capacitor de filtro, para alimentar uma carga

que possui


Prof. Corradi 42

8. Diodo de referncia ou Diodo ZENER Trata-se de uma juno PN que recebe uma dopagem mais acentuada fazendo com que o dispositivo passe a trabalhar na regio de ruptura ( controlada ). O diodo Zener ser utilizado como estabilizador de tenso em fontes de alimentao, fontes de corrente, geradores de onda quadrada simples, etc. O diodo Zener deve ser polarizado reversamente para manter as suas caractersticas de regulador. 8-1. Diodo Zener Os diodos retificadores e de pequeno sinal nunca devem operar intencionalmente na regio de ruptura porque isto pode danific-los. Um diodo zener diferente; um diodo de silcio que o fabricante otimiza para trabalhar na regio de ruptura. Em outras palavras, ao contrario dos diodos comuns que nunca trabalham na regio de ruptura, os diodos zener trabalham melhor nesta regio. s vezes chamado diodo de ruptura, o diodo zener a parte mais importante dos reguladores de tenso, circuitos que mantm a tenso da carga praticamente constante apesar das grandes variaes na tenso da rede e da resistncia de carga. Alguns smbolos eltricos utilizados:

8-2. Curva caracterstica do dispositivo ( grfico I-V )


Prof. Corradi 43

Onde :

mxima.zener Corrente teste;dezener Corrente

nominal;zener Tenso

ZM

ZT

ZN

IIV

Ob.: Podemos notar que para uma grande variao da corrente do diodo zener, na regio de ruptura controlada temos pouca variao da tenso em seus terminais, podemos considerar

aproximadamente constante. ZNV Especificaes do diodo Zener 1- Tenso zener nominal : ZNV ; 2- Potncia zener mxima : maxZP ; 3- Coeficiente de temperatura; 4- Tolerncia A = 5% e B = 10%; 5- Corrente zener de teste ou mnima ( dada pelo fabricante ) -

ZN

ZZ V

PI maxmax =

Exerccios bsicos: 1- Um diodo zener tem 15 V aplicado sobre ele com uma corrente de 20 mA atravs do

mesmo. Qual a potncia dissipada? 2- Se um diodo zener tiver uma especificao de potncia de 5W e uma tenso zener de 20

V; qual o valor da sua corrente mxima? 3- Um diodo zener tem uma resistncia zener de 5 . Se a corrente variar de 10 mA a 20

mA; qual a variao da tenso atravs do diodo zener? 4- Uma variao de corrente de 2 mA atravs de um diodo zener produz uma variao de

tenso de 15 mV. Qual o valor da resistncia zener? 5- Conforme o circuito abaixo esboce a forma de onda de sada.


Prof. Corradi 44

Responda as Questes: 1- Como utilizado o diodo zener? 2- Como se comporta o diodo zener? 3- O que tenso zener? 4- Quais as caractersticas do diodo zener? 5- Explique cada uma de suas caractersticas. 6- Explique a relao entre corrente e resistncia do diodo zener. 8-3. Regulador de tenso RZ ( sem carga e com tenso de entrada fixa ) Verificamos que o diodo zener pode manter em seus terminais uma tenso praticamente constante dentro de uma certa faixa de corrente, assim iremos utiliza-lo para manter nos terminais de uma carga uma tenso estvel. Para que o diodo funcione corretamente devemos polariza-lo reversamente atravs de um resistor limitador de corrente a fim de mante-lo dentro da regio de avalanche controlada. Se sairmos desta regio podemos perder a regulao ou destruir o diodo por excesso de dissipao de potncia. Observe o circuito abaixo para anlise:

Anlise do circuito sem carga ;

) (cte. constante

cte. como :Obs.

para

.

. onde

max.

.

.

sada

ZZSada

ZZ

ent

Zent

RZRent

V

VVV

IIR

VVI

VRIV

RIVVVVSS

==

=

+=

=+=

Exerccios ( Problemas ) 1- O diodo zener do da fig. K abaixo tem uma tenso zener de 15 V e uma especificao de

potncia de 0,5 W. Se Vent. For de 40 V, qual o valor mnimo de Rs que impede que o diodo seja destrudo?


Prof. Corradi 45

- Para o mesmo circuito do exerccio um Vz = 18 V, Rz = 2 Ohms e Vent. 27 V. Qual o valor qual o valor da variao na tenso da

nado ponto Q ( quiescente = que existe ).

ara o circuito abaixo iremos determinar o ponto de operao do diodo para uma variao da tenso de entrada de 20 V para 3

que h mais corrente travs do diodo zener, mas aproximadamente a mesma tenso zener. Portanto, mesmo que a nso da fonte de entrada tenha variado de 20 V para 30 V, a tenso zener ainda

raticamente igual a 12 V. Esta a idia bsica de regulao de tenso.

2da corrente zener? Se Vent. Aumentar para 40 V, carga?

8-4. Reta ou linha de carga Trata-se de um mtodo grfico onde se traa uma reta na curva caracterstica do diodo a fim de obter o seu ponto de operao denomi P

0 V.

oncluso: Comparando os ponto Q1 e Q2 na figura abaixo, vemos Catep

mAx

mAx

II

S

ZS

30101

030

: temosV, 30V Para

20101

020

: temosK 1 R e V 20V Para

3

ent.

3

Sent.

==

=

===

==

I


Prof. Corradi 46

es do diodo zener analisadas, existem limites mximos e mnimos para tenso de entrada e para a resistncia limitadora de corrente, dentro das quais o diodo zener

de sada constante e no corre o risco de se danificar.

onsideraes:

gula pois:

2- Se Is > Iz(max) o diodo zener se danifica por excesso de dissipao de potncia, e portanto, devemos Ter:

-5. Regulador Zener

circuito abaixo mostra um diodo zener usado para regular a tenso atravs da resistncia de arga. Observe atentamente o circuito e estude bem os pontos a serem analisados.

Obs.: Pelas especificaamantm a tenso Limites de Vent. e Rs C 1- Se Is < Izt zener no re

8 Oc

ZZSent VIRV += (min)(max).(min) .

ZSSent.

VIR += .

ZSZRent

VRI

IIVVVS

+=

=+=.

: ento .

como

V

ZZSent (max)(min).(max)V


Prof. Corradi 47

ontos a serem analisados: a) Se o diodo esta funcionando na regio de ruptu

essria uma anlise mais detalhada do circuito regulador de tenso quando e tenso consiste no

as demais variveis do

da ( constante ou com ripple ); caracterstica da carga ( fixa ou varivel );

do zener.

) Dimensionamento do Zener; ondulao na sada e calculo de Rs

c

P

ra

.. entSL

Lth VRR

RV

+= b) Corrente em srie

{L

ZL

S

ZentS R

VIR

VVI == V V Zsada.

LSZLZS IIIIII =+= Assim, faz-se necneste ligada uma carga. Basicamente, o projeto de um regulador dclculo da resistncia limitadora de corrente ( Rs ), conhecendo-secircuito, a saber: caracterstica da tenso de entra tenso de sada ( valor desejado ); especificaes do dio c .1) Para Vent.(min)

( )(min)(min)(max)(min) e (min).

(min)(max).

(min)

(min).(min)

ZZLSent

ZLSSSR

ZRent

VIIRV

IIIIRV

VVV

S

S

++=+==

+=

1 equao de equao esta mosdenominare .(min)S

Zent

RVV

(min)(max) ZL II =+


Prof. Corradi 48

2 e obtemos:

sta ultima equao o valor calculado da corrente mxima que ir atravessar o diodo zener,

Considerando a razo entre a ondulao de entrada e a ondulao na sada temos:

c.2) Para Vent.(max)

( )(max)I e 0I ento , R para ocorre casopior o

(max)(min)(max) e (max).

(max).

S(max)LL

(max)

(max).(max)

ZZSent

Z

ZLSSSR

ZRent

VIRVI

IIIIRV

VVV

S

S

+====

+==+=

Agora iremos relacionar a equao 1 com a equao

Eassim devemos Ter sempre em mente que . c.3) Ondulao

CalculadoZZ II (max)(max)

2 equao de equao esta mosdenominare .(max) ZentVV =I (max)

SZ R

[ ] [ ][ ]

[ ][ ] [ ]ZentZLZZentZLZentZ

Zent

Zent

Z

ZL

VV

VVIIVVI

VVVV

III

+=

=+

.(min)(min)(max)(max)

.(max)(min)(max).(min)(max)

.(max)

.(min)

(max)

(min)(max)

Zent VVIII+= .(max).

ZZZ

S

S

ententSS

S

ZentS

S

ZentS

IRV

VR

VVII

RVV

IR

VVI

=

=

SSentent

S IRVRI ==

==

. que imosanterior v intem

: temosequaes as subtrando assim baixa, mais entrada de tensoa menosalta mais entrada de tensoda variaoa ser carga na ondulaoA

e

.(min).(max)(min)(max)

.(min)(min)

.(max(max)

...

em


Prof. Corradi 49

.4) Clculo de Rs

- A tenso da fonte varia de 40 V para 60 V no circuito abaixo. Se o diodo zener tiver uma resistncia zener de 10 , qual a variao na tenso da carga?

baixo, qual o valor aproximado da corrente zener para cada uma das a de carga:

s; . RL = 10 K Ohms;

e 4 V. Se a

Sent.

ZZ

SS

ZZ

ent

Z

RR

VV

IRIR

VV

=

=

L

.

:escrever podemos cte. R um para ..

c

Problemas 1

2- No circuito eltrico a

seguintes resistnci a. RL = 100 K Ohmbc. RL = 1 K Ohms

3- Suponha que a fonte do circuito anterior tenha uma ondulao de pico a pico d

resistncia zener for de 10 , qual a ondulao de sada? 4- Para que valor da resistncia de carga o regulador anterior para de funcionar?

(max)(min) :

e

SSS

Z

ZentS

ZL

ZentS

RRR

IVV

RII

VVR

(max)

.(max)(min)

(min)(max)

.(min)(max) +

Assim


Prof. Corradi 50

- Qual o valor crtico da resistncia em srie no circuito anterior, se a resistncia de carga for

1594 do circuito abaixo, Vz = 12 V e Rz = 1,4 . Qual a tenso da carga? Qual a corrente zener? Qual a ondulao de sada se na entrada a ondulao de 5 V de pico a pico?

- Escolha um valor de resistncia em srie para um regulador zener chegar s seguintes

rada num regulador zener de 4 Vpp. A tenso da fonte de 30 V, a resistncia da fonte de 1 K Ohms e a resistncia de carga de 820 Ohms. A tenso de carga

do.

dois, qual a tenso da carga para cada uma das condies

rga em curto

1- Com relao ao exerccio seis, o diodo 1N1594 tem uma tenso zener de 12 V e uma

2- Utilize os mesmos dados do exerccio anterior, exceto que voc mede 30 V atravs da

3- Para o circuito abaixo, desejamos calcular qual a mxima e mnima carga para o regulador

0 mW, Vz = 5,6 V e Rs = 47 Ohms x W.

5de 1 K?

6- No 1N

7

especificaes: a tenso da fonte varia de 30 V para 40 V, a corrente de carga varia de 10 a 25 mA e a tenso da carga de 12 V.

8- Projete um regulador zener que preencha as seguintes especificaes : a tenso da carga

de 6,8 V, tenso da fonte de 20 V 20%, e corrente de carga de 30 mA 50%. 9- A ondulao de ent

deve ser de 12 V. Especifique um diodo zener que produzir um regulador zener estabiliza

10- Com relao ao exerccio

abaixo: a. um diodo zener em curto; b. um diodo zener aberto; c. um resistor em srie aberto; d. o resistor de ca Alem disso, o que acontece com a tenso da carga e com o diodo zener se o resistor em srie estiver em curto? 1

resistncia zener de 1,4 Ohms. Se voc medir aproximadamente 20 V para a tenso de carga, que componente voc sugere que est com defeito? Explique por qu.

1

carga e um ohmmetro indica que o diodo zener est queimado. Antes de substituir o diodo zener, o que voc deve testar?

1

funcionar corretamente. Dados: Vent. = 9 Volts 10%, Iz min = 10 mA, Pz max = 40


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? Considere a escala do medidor linear de 0 a 500 mA e sua resistncia interna de 1 Ohm.

diodo zener na sada. A curva caracterstica do diodo est representada ao lado. Esboce a forma de onda de sada e determine o tempo de conduo do diodo durante cada ciclo.

6- Determinar a corrente do LED para o circuito abaixo. Qual a aplicao bsica para este circuito?

ipolar ( TjB )

recebe uma dopagem diferenciada de forma simplificada temos: emissor ensamente dopado, base levemente dopada e muito estreita e o coletor recebe uma dopagem

intermediria.

14- O diodo zener mostrado no circuito de ampliao de medidor; um diodo de referncia de

12 V. Para que valores o medidor pode ser ajustado

15- A figura abaixo mostra um circuito ac com

1

9

. Transistor de juno B

Informaes preliminares O transistor bipolar constitudo de duas junes PN conforme o esboo simplificado abaixo, podemos obter dois dispositivos que so denominados: TjB do tipo NPN e TjB do tipo PNP. Os eletrodos recebem os seguintes nomes: Emissor, Coletor e Base, cada regio tem uma funo especifica e d


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Potencial de Barreira Para os transistores de silcio temos um V = 0,7 V @ 25C e para o transistor de germnio temos V = 0,3 V @ 25C, as camadas de depleo so diferentes entre as duas junes para ambos os transistores NPN e PNP, sendo base-emissor menor do que base-coletor. Polarizao externa Podemos Ter trs polarizaes saber: polarizao direta-direta, polarizao reversa-reversa e a que nos interessa onde teremos o que denominamos de efeito transistor a polarizao direta-reversa. Parmetros Eltricos do Transistor Pelo fato de termos trs terminais poderemos Ter formas distintas de conexo do TjB saber: Base-Comum, Emissor-Comum e Coletor-Comum, cada configurao nos dar um parmetro para analise. a) Ganho de corrente esttico na configurao de Base-Comum (

Bfh ou )

E

C

II= ; esta relao mostra o quanto a corrente de coletor se aproxima da corrente de

emissor.


Prof. Corradi 53

b) Tenso de ruptura ( Breakdown )

AltaBBaixaB

CE

BE

V

V

Estes valores dependem: - Camada de depleo e da dopagem das

junes. c) Ganho de corrente esttico na configurao Emissor-Comum (

Efh ou )

d) Relao entre e Exerccio Determinar sabendo-se que igual a 0,987. Regio ativa Para que o TjB opere na regio ativa devemos utilizar a seguinte tcnica de polarizao: a. Diodo emissor diretamente polarizado; b. Diodo coletor reversamente polarizado; c. A tenso do diodo coletor no deve exceder a tenso de ruptura. Assim quando estas condies so satisfeitas dizemos que o TjB um dispositivo ativo, pois ele capaz de amplificar um sinal. Da o seu nome Transfer Resistor; ou seja temos um Resistor de Transferncia, pois o mesmo capaz de transferir uma corrente de uma regio de baixa resistncia para uma regio de alta resistncia. Modelo equivalente do TjB ( Modelo de Ebers-Moll ) Este modelo leva em considerao as caractersticas estticas do transistor, limitando a utilizao em baixas freqncias onde no so considerados os efeitos parasitas de capacitncia. O modelo parte do princpio que o transistor um dispositivo simtrico, onde qualquer um dos terminais pode assumir em relao base a funo de emissor ou coletor. Exemplo:


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a fsica dos semicondutores temos que o diodo emissor:

D

=

=

1

1

.

.

TKqV

CSCR

TKqV

ESEF

CB

BE

eII

eII

Com a polarizao diodo emissor e inversa no diodo coletor, o modelo pode ser simplificado, pois CRREF II

direta no a corrente de fuga desprezvel em polarizao dire,

implica em que Ionde ta.

sta equao . Desta maneira, o modelo assume a seguinte forma:

a N trono altamente dependentes da temperatura, somando-se a corrente

0CRE

A corrente CBOI ento uma corrente de fuga da juno de coletor inversamente polarizada que consiste de eltrons gerados termicamente na regio P da juno de coletor ( do diodo ) para e de buracos gerados no coletor que cruzam a juno em direo base. Os el s de CBOI so ent EI. ; assim: Temperatura aumenta ( CBOE II +. ) aumenta


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ma-Comum temos a corrente de fuga onde com as equaes do modelo acima

mos:

Efeitos pior caso temos avalanche trmica, e deslocamento do ponto de operao. O modelo acima intuitivo em funo das junes PN utilizando uma aproximao simtrica de dois diodos, caracterizando bem u configurao Base-Comum. Para a configurao Emissor CROIte

BOEC III += . e ; como exerccio desenvolver uma equao para modelo que a corrente de fuga desprezvel obtemos um modelo resultante

implificado.

do, sendo este ultimo adequado altas freqncias. Em nosso curso apenas utilizaremos o modelo de Ebers-Moll, os demais ero visto em um curso com maior profundidade.

a o conceito de reta de carga. onsiderando-se uma configurao emissor-comum, temos um resistor de carga de oletor juntamente com a caracterstica grficos de sada .

BCE III += CEOI . Supondo no s

Estas simplificaes so: A tenso V aproximadamente 0,7 V para o silcio, a queda de BEtenso brIB

'. desprezvel, EI aproximadamente igual a CI o que implica que alfa aproximadamente igual a 1. O modelo descrito acima um circuito equivalente do transistor para grandes sinais, j para pequenos sinais, onde pequenas variaes da tenso ou corrente de entrada induzem a pequenas variaes do ponto de polarizao do transistor, onde devem ser utilizados outros circuitos equivalentes. Os mais conhecidos so o T, o Hbris 9-1. Reta de Carga ( Caracterstica do Coletor ) CEC xVI O tratamento grfico de um circuito transistorizado utilizC

CEC xVIc


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upe-se uma reta as caractersticas de coletor cujo coeficiente angular representa a aracterstica tenso-corrente da carga, no nosso caso resistncia de coletor. A equao de

sada do circuito de fica:

Sc ( )CEC VfI =

Fazendo = 0, obtemos que

CI CCCE VV = que o primeiro ponto da reta. Para o segundo ponto, fazemos com que CE , onde obtemos 0=V

C

CCC R

VI = .

stes dois pontos resulta em uma reta cuja inclinao ECR

1 . Lembrando que a equao da isto implica em : reta bxay += .

C

CECCC

VVIVRI =+= . CCECCC RV

C

CCCE

CC R

VVR

I += 1


Prof. Corradi 57

reta de carga. O ponto te de base. O

e outras so fornecidas pelo fabricante em literatura especifica enominadas de livros de dados os DATA BOOKS.

-2. Operaes Bsicas do TjB

sicas do transistor que pode ser observada na curva caracterstica o coletor a saber:

D coletor; do mxima dissipada Potncia =

Para um aumento de CCV no circuito temos um deslocamento daquiescente de polarizao obtido ento em funo da definio da correnexemplo numrico abaixo est desenvolvido em funo do circuito de sada logo:

Especificaes Bsicas do TjB

EBO

CBO

CEO

VVV

); reverso ( abertocoletor com base eemissor entre Tenso ); reverso ( abertoemissor comcoletor e base entre Tenso ); reverso ( aberta base comemissor ecoletor entre Tenso

===

P

CI mxima.coletor de Corrente =

CECD VIP .= Estas informaesd 9 Temos duas operaes bd a) Operao como crave; b) Operao como fonte de corrente ( o TjB trabalha na regio de compliance ).


Prof. Corradi 58

s onde desejamos que o transistor opere como se fosse m interruptor ou seja ora esteja saturado e ora esteja cortado. Este tipo de aplicao encontra

circuito abaixo pode ser otimizado para acionarmos pequenas cargas, tais como lmpadas iloto, diodos emissores de luz ( LED ) e rels. O que se faz produzir uma corrente de base

de coletor e a tenso entre coletor e emissor para zero Volts na base e +5 V. Na fig. X2 temos uma ligeira variao do projeto, o circuito pode

igual a zero e depois para +5 V. Obs. tenso do LED 2,1 V.

m corte?

5- Suponha que ligamos um LED em srie com o resistor de coletor do circuito da fig. X3. Qual o valor da corrente do LED? Comente a respeito do brilho do LED.

6- Qual o valor da corrente da base para o circuito da fig. X4? Qual a corrente do coletor?

Qual a tenso coletor-emissor?

Operao como Chave Esta operao se destina em aplicaeuutilidade quando desejamos controlar uma carga a partir de circuitos lgicos por exemplo. O transistor operando como chave encontra grande aplicao nos circuitos lgicos ou seja na construo de portas lgicas. Acionamento de pequenas cargas Opsuficiente para saturar o TjB; assim o mesmo conduz fortemente e toda a tenso da fonte aparece nos terminais da carga ( Rc ). Neste tipo de operao no se faz nenhuma tentativa de colocar o TjB na regio ativa. Assim quando temos um sinal na sua base o mesmo satura equando retiramos o sinal de sua base o TjB corta. Veja o exemplo abaixo.

Exerccios bsicos 1- A fig. X1 abaixo mostra um circuito de chaveamento com transistor acionado por uma

tenso em degrau. Determine a corrente

ser denominado comando do LED porque o transistor controla o LED. Determine a corrente do LED para tenso da base

2- Se a corrente do emissor for de 6 mA e a corrente do coletor de 5,75 mA, qual o valor da

corrente da base? Qual o valor de ? 3- Um transistor tem uma corrente de coletor de 100 mA e uma corrente de base de 0,5 mA.

Quais os valores de e ? 4- Qual a corrente da base para o circuito da fig. X3? Qual a tenso do coletor-emissor? O

transistor est em saturao ou e


Prof. Corradi 59

- Desenhe a reta de carga para o circuito abaixo. Qual o valor de saturao da corrente do coletor? Qual a tenso de corte?

7

8- Qual o valor da corrente do coletor para o circuito anterior? Qual a tenso entre o coletor e

o terra? Qual a tenso do coletor-emissor?


Prof. Corradi 60

9- Qual a mxima corrente possvel para o coletor do circuito abaixo? Se a tenso na base for do coletor ao terra?

na base de 10 V. Qual a tenso do coletor-emissor?

1- Se a tenso na base para o circuito abaixo for de 5 V, qual a corrente do LED? Qual a rra?

rel todas as vezes que tivermos nvel alto na base do TjB. Dados: Corrente de atracamento do rel de 250 mA, tenso de sada do circuito

de 2 V, qual a tenso

Par10-

a o circuito anterior, a tenso

1tenso do coletor para o te

Pro

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