aula 5 – diodos, retificação e reguladores de tensão...
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Aula 5 – Diodos, Retificação e Reguladores
de Tensão / Fontes de Alimentação
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O Diodo
• O diodo é um componente não linear por natureza
• Símbolo (mais comum)
• Curva característica
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História
• Principia de funcionamento de diodos Termiônicos Frederick Guthrie (1873)
• Principio de funcionamento de diodos de cristal Karl Ferdinand Braun (1874)
• Principio termiônico redescoberto por Thomas Edison (1880) patenteado em (1883)
• A Válvula Termiônica – o primeiro diodo (1904)– Sir John Ambrose Fleming
• A professor of electrical engineering invents the thermionic valve
• A two-electrode rectifier. (A rectifier prevents the flow of current from reversing.)
• He discovers that an electric current passing through the vacuum is always unidirectional.
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Semicondutores Dopados
• Intrínseco
• Dopagem tipo-n
• Dopagem tipo-p
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Junção
http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_2/backbone/r2_2_4.html
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http
://w
ww
.tf.
uni-
kiel
.de/
mat
wis
/am
at/s
emi_
en/k
ap_2
/bac
kbon
e/r2
_2_4
.htm
l
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• Diodo de ponto de contato– Um bloco de semicondutor tipo-n (Ge)
– Ponta afiada de material do grupo 3 (Al, Ga, In)
– Ambos são colocados em contato• Metal migra para o semicondutor
• Forma uma região-p próximo ao contato
P
N
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Estrutura de um diodo de Silício
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Equação do Diodo
]1)..
.).[exp(
.exp().(. 0 −−=
Tkn
Ve
Tk
ETJAI
BB
g
)..
.exp(]1)
..
.[exp(
Tkn
Ve
Tkn
Ve
BB
≅−
).
.
exp().(. 0Tk
En
Ve
TJAIB
g−
=
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Diferentes tipos de diodos
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Diodo de Junção ou Retificador
• Aplicação– Retificação de Sinal Alternado
– Retificação de Sinal de Audio
– Detecção de sinal de radio
• Tipos mais comuns– Retificadores (Silício)
• 1N4001 1N4007 (data sheet) 1A / 50V 1000V (tensão reversa)
– Diodos de sinal (Germânio) • 1N60 (data sheet)
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Diodo Zener
• Similar ao diodo de retificação
– Semicondutor extremamente dopado• Permite tunelamento em tensão reversa
– Apresenta uma tensão de ruptura muito reduzida
– A tensão de ruptura é o parâmetro específico do Zener
• Aplicação– Regulagem de tensão em circuitos eletrônicos
• Parâmetros especificados– Tensão Zener
– Potencia dissipável (Ex.: 1W)
» Corrente Max = P/(Vout-Vz)
• Recorte de sinais
• Data Sheet
ZenerVoltage
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Diodo Túnel
• Este componente é uma aplicação imediata da teoria quântica– Emprega o efeito túnel em seu funcionamento
– Leo Esaki recebeu o premio Nobel de Física em 1973
• Curva característica
• Aplicação
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LED (Light Emitting Diode)
• Emite luz de diferentes cores– Mais comuns
• Vermelho
• Verde
• Amarelo
– Mais recentes• Azul
• Ultravioleta
• Branco
• Parâmetros importantes– Tensão de operação
– Corrente de operação (parâmetro mais importante)
• Cálculo do resistor de limitação de corrente– Clique neste link
– (http://www.casemodbr.com/resistor.htm)
Tabela de Cores
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Retificação
• Um dos principais usos do diodo é retificar sinal alternado
• Transformar– Tensão alternada ( + ) tensão pulsante ( + ou - )
• Retificação em Meia Onda
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• Retificação em Onda Completa
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Filtragem do Sinal Pulsado
• Após transformar o sinal alternado em pulsado– É necessário eliminar a flutuação
– Para isto são usados filtros
Ripple
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Regulagem de Tensão
• Usando zener
• Usando Circuitos Integrados 78XX– Data sheet (clique aqui)
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Montagem de uma Fonte de
Alimentação CC – (prática)
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A Fonte
• Diagrama de Blocos
Transformador Retificador Filtro Regulador
VccVca
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Cálculo do Transformador
• Regras Simplificadas– É necessário saber a potência consumida pelo circuito
– Pot = Vmax x imax
– Ex.:• Circuito de Saída 12V - 1 A 12W
• Impedância do Circuito de Saida 12V/1A = 12Ω
• Existe uma regra simples que diz que a resistência do secundário do trafo deve ser de no máximo 10% do valor da carga
• Logo Rs <= 1,2 Ω
– Neste caso o nosso transformador deverá ter um secundário de no mínimo• 12 V e 1 A (os transformadores geralmente são especificados assim)
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Cálculo dos Diodos
• Definir se a retificação é– Meia Onda (vai apresentar maior Ripple)
– Onda Completa (apresenta menor Ripple)
• Regras Simplificadas– A corrente direta dos diodos (por segurança)
• Usar 2 x imax da carga
– A tensao reversa nos diodos
• Usar 2 x Vmax do secundário do transformador
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O Regulador Zener Simples
• Cálculo dos Parâmetros
Vz
Iz
-vz mínimo
-vz nominal
-vz máximo
-Iz mínimo
-Iz máximo
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O Circuito do Regulador
• Zener operando na região de avalanche Tensão constante
• Equação do nó
• para i = cte– Se iL aumentar iZ diminui
– Se iL diminui iZ aumenta
LZ iii +=
R
RL
DVin
VZ
VR
VL
i
iZ
iL
LZ iii +=
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• Tensão de entrada mínima– O circuito não perde as características de regulação
• Tensão de entrada máxima– Vinculada a máxima potência dissipada pelo Zener
– Caso de circuito aberto RL = infinito
ZRin VVV +=minmin
Z
Z
ZV
Pi max
max=
Limitações
( ) ZLZin VIIRV ++=maxminmin
.
ZRin VVV +=maxmax
( ) ZLZin VIIRV ++=minmaxmax
.
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• Para tensao de Entrada máxima
– Para o caso de RL = infinito
• Ex:– Características da Fonte
• VL = 10 V• ILmax = 20 mA• Vin = 15 V + 10%
– Zener• PZmax = 400 mW Izmax = 40 mA• Izmin = 10 mA
• Superou iZmax logo queimaria o zener
( )Zin
Zin
ZLZVV
VViiI
−
−+=
min
max
minmaxmax.
Dimensionamento do Zener
( ) mAIZ 7,55105,13
105,16010,0020,0
max=
−
−+=
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• Ex:– Características da Fonte
• VL = 10 V
• ILmax = 20 mA
• Vin = 15 V + 10%
– Trocando o Zener• PZmax = 1,3 W Izmax = 130 mA
• Izmin = 20 mA
• Superou iZmax logo não haveria problema
( ) mAIZ 28,74105,13
105,16020,0020,0
max=
−
−+=
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Cálculo do Filtro (Capacitor)
• Depende da configuração da Retificação– Meia Onda
• Pulsos de Carga de 60 Hz τC = 17 ms
• Tempo de Descarga tem que ser maior que os pulsos de carga
• Do exemplo anterior RL = 12 Ω
CLD CR ττ >>= .
L
C
RC
τ>>
FC µ1417001417,012
017,0==>>
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– Onda completa
• Pulsos de Carga de 120 Hz τC = 8,3 ms
• Tempo de Descarga tem que ser maior que os pulsos de carga
• Do exemplo anterior RL = 12 Ω
CLD CR ττ >>= .
L
C
RC
τ>>
FC µ690000694,012
0083,0==>>
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Configuração em Meia Onda
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Configuração em Onda completa
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Medida do Ripple
Ripple
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FIM