tcfe07082 9 analise circuitos diodos
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Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica1
Análise de Circuitoscom Díodos
Teresa Mendes de Almeida
Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica
Teresa Mendes de [email protected]
DEEC
Área Científica de Electrónica
Matéria
� Semicondutores
� Díodo de junção PN� Característica V-I
� Modelos lineares por troços
� díodo ideal
� díodo ideal com fonte de tensão
� díodo ideal com fonte de tensão e resistência
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TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� díodo ideal com fonte de tensão e resistência
� Análise de circuitos com díodos
� Circuitos lógicos
� Circuitos limitadores
� Díodo Zener
� Circuitos rectificadores
� Exemplos de aplicação
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Semicondutores
� Dispositivos electrónicos modernos� circuitos integrados, díodos, transístores
� produzidos com materiais semicondutores
� Silício (Si) - o mais utilizado
� Germânio (Ge)
� Material Semicondutor� tem propriedades eléctricas especiais
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TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� tem propriedades eléctricas especiais
� mecanismo de circulação das cargas não pode ser explicado como nos
condutores/isoladores
� não é um bom condutor de corrente eléctrica (como o Cu ou o Al)
� não é um isolante (como a borracha ou o plástico)
� capacidade de formar cristais com propriedades eléctricas especiais
� cada átomo partilha 4 electrões de valência com átomos vizinhos
� estrutura entrelaçada (ligações covalentes) muito estável → cristal
� corrente eléctrica: movimento de electrões e de lacunas
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Semicondutores
� Intrínseco (puro)� lacunas - criadas por electrões que se libertam das ligações covalentes
� nº de lacunas = nº electrões livres
� Exemplo (TA)
� Si: ni = pi = 1,5× 1019 portadores/m3
1cm3 : 1022 átomos → 1012 átomos a mais do que portadores
� Ge: ni = pi = 2,4× 1019 portadores/m3
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i in p=
TCFE Análise de Circuitos com Díodos
Ge: ni = pi = 2,4× 10 portadores/m
� condutor de Cu: 8,4 × 1028 portadores/m3
� Extrínseco (impuro)� equilíbrio entre nº de portadores é deliberadamente alterado
� introduzidos átomos de impurezas no cristal (grupos III e V)
� Material tipo N – predominam electrões
� dopado com antimónio, arsénio, fósforo
� Material tipo P – predominam lacunas
� dopado com alumínio, boro, gálio, índio
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2 2
i in p n p× = =
Díodo de Junção PN
� Junção PN� união entre materiais tipo P e N
� região onde materiais são unidos → junção PN
� processo de fabrico cria zona de transição entre 2 tipos de materiais
� Díodo de Junção PN
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NPânodo cátodo
TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� Análise simplificada do funcionamento do díodo� comporta-se como um interruptor direccional
� deixa passar corrente num sentido
� não permite passagem de corrente em sentido contrário
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NP
ânodo cátodo
iD > 0
ânodo cátodo
i = 0
Díodo de Junção PN
� Há vários tipos de díodos� LED – díodo emissor de luz – emite luz quando em condução (passa
corrente)
� fotodíodo – conduz quando há luz incidente
� díodos usados como condensadores de capacidade variável
� Aplicações� circuitos lógicos
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TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� circuitos lógicos
� funções lógicas (AND, OR)
� limitadores
� limitam sinais a determinados valores
� máximos e/ou mínimos
� circuitos de protecção
� rectificadores
� rectificam sinal alternado
� conversão AC → DC
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Característica Tensão-corrente
� Característica V-I é não-linear
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ânodo cátodo
+ vD -
iD
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� Podem considerar-se três zonas de funcionamento
� Zona directa� vD > 0 iD > 0
� Zona inversa� -VMAX < vD < 0 iD ≅ 0
� Zona de disrupção (breakdown)� vD < -VMAX iD < 0
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Característica Tensão-corrente
� Equação do díodo� IS – corrente de saturação (~10-15A)
� n – coeficiente de emissão (1 ≤ n ≤ 2)
� n=1 circuito integrado
� n=2 componentes discretos
� VT – tensão térmica (25mV @ 20ºC)
� k – constante Boltzmann (1,38×10-23 J/K)
T – temperatura absoluta (K=ºC+273)
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1D
T
v
nV
D Si I e
= −
T
k TV
q=
TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� T – temperatura absoluta (K=ºC+273)
� q – carga electrão (1,6 ×10-19 C)
� Zona directa� vD >> nVT
� Zona inversa
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q
D
T
v
nV
D Si I e≈
D Si I≈ −
Característica Tensão-corrente
� Dependência com a temperatura� IS – corrente de saturação
� duplica por cada variação ∆T = +5ºC
� VT – tensão térmica
� para corrente constante
� vD diminui 2mV por cada ∆T = +1ºC
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1D
T
v
nV
D Si I e
= −
T
k TV
q=
TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� sensibilidade à temperatura
� usada para construir termómetros
� Análise de circuitos com díodos� em muitas situações não se usa a característica I-V exponencial
� utilizam-se modelos lineares por troços
� em cada troço podem usar-se técnicas de análise de circuitos lineares
� aproximações válidas nas diferentes zonas de funcionamento
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Modelos lineares por troços
� Modelo de DÍODO IDEAL� 2 estados possíveis
� ON / OFF
� ON – díodo conduz� díodo substituído por curto-circuito
� vD = 0
� iD > 0
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+ vD -
iD
ânodo cátodovD = 0
TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� iD > 0
� valor da corrente é determinado pelo resto do
circuito onde díodo está inserido
� OFF – díodo cortado� díodo substituído por circuito aberto
� iD = 0
� vD < 0
� valor da tensão é determinado pelo resto do circuito
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ânodo cátodo
iD = 0
vD < 0+ -
ânodo cátodo
iD > 0
+ -
Modelos lineares por troços
� Modelo com FONTE DE TENSÃO� 2 estados possíveis
� ON / OFF
� ON – díodo conduz� díodo substituído por fonte de tensão
� vD = VD0
� iD > 0
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+ vD -
iD
ânodo cátodoVD0
TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� iD > 0
� valor da corrente é determinado pelo resto do
circuito onde díodo está inserido
� OFF – díodo cortado� díodo substituído por circuito aberto
� iD = 0
� vD < VD0
� valor da tensão é determinado pelo resto do circuito
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ânodo cátodo
iD = 0
vD < VD0+ -
ânodo cátodo
iD > 0
D0+ -
Modelos lineares por troços
� Modelo com FONTE DE TENSÃO e RESISTÊNCIA� 2 estados possíveis
� ON / OFF
� ON – díodo conduz� díodo substituído por fonte de tensão em série com resistência
� vD = VD0 + RD iD
� iD > 0
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cátodo
D DD
D D
v vR
i i
∆= ≠
∆
TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� iD > 0
� valor da corrente é determinado pelo resto do
circuito onde díodo está inserido
� OFF – díodo cortado� díodo substituído por circuito aberto
� iD = 0
� vD < VD0
� valor da tensão é determinado pelo resto do circuito
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ânodo cátodo
iD = 0
vD < VD0+ -
ânodo cátodoD D
i i∆
Exemplo de aplicação
� Calcular a corrente que percorre o circuito considerando o modelo do díodo ideal� substituir díodo por modelo ideal
� Díodo conduz?
� Hipótese: considerar díodo ON e calcular iD
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5
TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� como iD > 0, confirma-se a hipótese feita, de considerar díodo em condução
� Hipótese: considerar díodo OFF e calcular vD
� como vD > 0, não se confirma a hipótese de díodo cortado → díodo ON
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55 0
1DI mA
k= = >
5 0DV V= >
Circuitos lógicos
� Realizar funções lógicas� circuitos com resistências e díodos
� níveis lógicos correspondem a tensões
� díodo substituído por modelo ideal
� ON – curto-circuito (iD>0)
� OFF – circuito aberto (vD<0)
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0 0
1 5
A
A
A V V
A V V
= ⇔ =
= ⇔ =
TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� Função AND (E lógico) Função OR (OU lógico)
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A B Y
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
A B Y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Y A B= • Y A B= +
Exemplos de aplicação
� Calcular I e V usando modelo de díodo ideal� considerar hipótese de díodo ON/OFF
� fazer a análise do circuito
� validar a hipótese feita
� ON – confirmada se iD > 0
� OFF – confirmada se vD < 0
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Circuitos Limitadores
� Limitam a tensão de saída� limitador duplo
� limita tensão inferiormente e superiormente
� limitador simples
� limita tensão inferiormente ou superiormente
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vo vo
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� são circuitos de protecção
� não deixam que tensão de entrada de outro circuito ultrapasse
determinado valor máximo/mínimo
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vi
vMAX
vMINvi
vMAX
Circuitos Limitadores
� Limitador simples� limita inferiormente a tensão de saída
� análise do circuito
� considerar para o díodo o modelo com fonte de tensão (VD0=0,7V)
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TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� Hipótese: díodo ON
� Díodo OFF
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00
0 0
0
: 0
0 0 0,7
0.7
D ID D I D
D D I I D I
O D D
V vKVL V Ri v i
R
i V v v V v V
v v V V
++ + = → = −
> → + < → < − → < −
= − = − = −
díodo ON díodo OFF
0,7I O Iv V v v> − =
vI
vO
-0,7V
vI
vO
t
Circuitos Limitadores
� Característica de transferência vO(vI)� análise do circuito foi feita considerando para o díodo o modelo com fonte
de tensão (VD0=0,7V)
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Exemplos de aplicação
� Determinar a característica de transferência� -5V < vI < +5V
a) modelo ideal
b) modelo com fonte de tensão (VD0=0,6V)
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Díodo Zener
� Na zona de disrupção (breakdown)� característica é praticamente vertical
� tensão é aproximadamente constante
� díodo a funcionar na zona de disrupção
pode ser usado para obter uma tensão constante
� Díodo Zener� especialmente concebido para funcionar na zona de disrupção
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TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� especialmente concebido para funcionar na zona de disrupção
� tem aplicação como regulador de tensão
� mantém tensão praticamente constante aos seus terminais
� independentemente
� da corrente a entregar à carga
� da variação nas tensões de alimentação
� pode estar a funcionar em qualquer das 3 regiões
� directa, inversa ou de disrupção
� em cada uma das zonas usa-se um modelo linear que aproxima díodo real
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iDvD
ânodo
cátodo
Díodo Zener
� Modelos para o Díodo Zener
� ON (zona directa)� iD > 0 vD > VD0
� usar um dos modelos já considerados para o díodo
� OFF (zona inversa)
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iDvD
ânodo
cátodo
TCFE Análise de Circuitos com Díodos
OFF (zona inversa)� iD = 0 -VZ < vD < VD0
� circuito-aberto
� Zener (zona de disrupção)� iD < 0 vD = -VZ
� -VZ tipicamente da ordem
de dezena-centena de V
� ex.: 6,8V / 0,5W
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Exemplo de aplicação
� Se V+ varia (±±±± 10%), a tensão entregue à resistência de carga RL também varia?� considerando o díodo a funcionar na zona de disrupção (zener)
� modelo com fonte de tensão: vD = - VZ
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6,8O ZV V V= =
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+
VZ
-
iZ
6,8
O Z
ZL
L L
ZR
Z R L
V VI
R R
V VI
R
I I I
+
= =
−=
= −
Circuitos Rectificadores
� Rectificador� bloco essencial na constituição das fontes de tensão
� conversão de sinais alternados em contínuos (AC → DC)
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� Tipos de rectificadores� ½-onda
� onda completa
� positivos
� negativos
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Rectificador de ½-onda
� Rectificador de ½-onda positivo
Modelo D ideal Díodo ON Díodo OFF
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TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� Modelo D ideal Díodo ON Díodo OFF
� Rectificador de ½-onda negativo� trocar a posição do díodo
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Rectificador de ½-onda
� Rectificador de ½-onda positivo� considerando díodo com modelo com
fonte de tensão e resistência
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Rectificador de onda completa
� Rectificador em ponte
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vS > 0
KVL: vD1+vO+vD2-vS = 0
v < 0
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� considerando modelo D com fonte de tensão: vO = |vS| – 2VD0
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vS < 0
KVL: vD3+vO+vD4+vS = 0
Rectificador de onda completa
� Rectificador com ponto médio no transformador
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vS > 0
KVL: v +v -v = 0
TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� usando transformador com ponto médio → vO = |vS| – VD0
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KVL: vD1+vO-vS = 0
Rectificadores
� Rectificador com condensador� substituir resistência do rectificador de ½-onda por um condensador
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TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� quando o díodo corta, o condensador (se fosse ideal) manteria
indefinidamente a carga armazenada
� tensão vO ficaria constante
� a seguir ao rectificador existe
sempre uma carga RL
� condensador vai descarregar quando
o díodo estiver cortado
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Rectificadores
� Detector de Pico� acrescentado um condensador ao rectificador de ½-onda
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TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� quando díodo conduz, condensadar carrega e vO ≈ vI
� quando díodo corta, condensador descarrega através de R
� vO(t) = Vp e-t/τ
� escolha de τ = RC
� R=RL não se pode alterar
� escolha de C em função
do período do sinal e da
ondulação do sinal saída
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Rectificadores
� Detector de Pico� escolha da capacidade do condensador
� C elevado → carga é muito lenta
� pode não acompanhar a variação da entrada
� C baixo → descarga é muito rápida
� provoca muita ondulação (ripple) no sinal de saída
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6C
TCFE Análise de Circuitos com Díodos
� calcular a ondulação da tensão de saída
� considerar descarga aproximadamente linear (em vez de exponencial)
� admitir corrente de descarga constante (valor do início da descarga)
� tempo de descarga ≈ período do sinal (no rectificador de ½-onda)
� Detector de Pico com rectificador de onda completa� ondulação é menor (≈ metade) porque tempo de descarga (≈ T/2) é menor
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6C3C
C