Eletrônica I – ELE30028

AULA 02

MSc. Ciro J. Egoavil Montero

Departamento de Engenharia Elétrica

Teoria de Diodo

Capítulo 3

Tópicos Covertos no Capítulo 3

ü Idéias Básicas ü O diodo ideal ü A segunda aproximação ü A terceira aproximação ü Análise de defeito - Troubleshooting ü Análise de circuito Up-down

Tópicos Covertos no Capítulo 3 (Continuação

ü Leitura do data sheet ü Como calcular resistência equivalente ü A resistência CC de um diodo ü Linhas de carga ü Diodos de montagem de superfície

Diodo

ü Um dispositivo não linear ü O gráfico da corrente vs. tensão não é uma

linha reta ü A tensão do diodo deve exceder a tensão de

barreira para conduzir

R

VS p

n =

ânodo

Catode

•  Símbolo do parece a uma setaque aponta desde o lado p para o lado n.

A seta aponta a direção do fluxo da corrente convencional. O diodo está polarizaado diretamente por VS.

Linearidade

ü A curva característica tensão-corrente para um resistor é uma linha reta (linear).

ü Um diodo tem uma curva característica nãn-linear. ü A barreira de potencial produz um joelho na cruva do

diodo. ü A tensão de joelho é aprox, 0.7 V para um diodo de

silício.

Cor

rent

e di

reta

em

mA

0 0.5 1.0 1.5 0

25

50

75

100

125

150

175

200

Tensão de polarização Direta

Curva característica tensão-corrente do diodo de Silício

joelho

0 200 400 600

20

40

60

80

100

120

140

Polarização Reversa em Volts

Corrente Reversa em mA

Curva característica da polarização reversa do diodo de Silício

ruptura

Resistência de corpo - Bulk

ü A resistência ohmica de um material p e né chamada de resistência de corpo-bulk.

ü A resistência de corpo é frequentemente menor que 1 Ω. ü Com polarização direta,a corrente de diode aumenta

rapidamente além da tensão de joelho. ü  Pequenos aumentos na tensão causam grandes

incrementos na corrente.

Parâmetros do Diodo

ü  Especificado pelos fabricantes nos data sheets. ü O máximo parâmetro de polarização reversa não deve

ser sobrepassado. ü O máximo parâmetro de corrente não deve ser

sobrepassado. ü O parâmetro de potência de um diodo é determinado

pela seu máximo valor de corrente e queda de tensão direta na condução de corrente.

Diodo primeira aproximação

Ø  Esta representa o diodo como sendo ideal. Ø  A primeira aproximação ignora a corrente de fuga, a barreira de

potencial e resitência de corpo. Ø  Quando um diodo ideal é polarizado diretamente, o modelo é um

interruptor fechado. Ø  Quando um diodo ideal é polarizado reversamente biased, o

modelo é um interruptor aberto.

Primeira (ideal) aproximação

Diodo segunda aproximação

ü  Este modelo assume que não há fluxo de corrente até que a polarização direta através do diodo atingir 0.7 V.

ü  Este modelo ignora a forma exata do joelho ü  Este modelo ignora a resistência de corpo do diodo.

Segunda aproximação

•  O modelo assume que nenhuma corrente flui no diodo até a tensão de polarização direta através do diodos alcance 0,7 V.

•  O modelo ignora a forma exata do joelho. •  O modelo nao considera a resistência de corpo

do diodo. Embora, a resistência de corpo é menor que 1 Ω

Pode ser ignorada.

Terceira aproximação do Diodo

Terceira aproximação

RB 0.7 V

Polarização Reversa

RB 0.7 V

Polarização Direta

Aproximação Apropriada

•  A primeira aproximação é adequada para a maioria das situações de troubleshooting.

•  A segunda aproximação é frequentemente usada se valores mais exatos para corrrente e tensão de carga são requeridos.

•  A terceira aproximação melhora a exatidão quando a resistência de corpo do diodo é maior que 1/100 da resistênncia de Thevenin que enfrenta o diodo.

Teste do diodo de Silício usando um ohmímetro

•  Baixa resistência em ambas direções: o diodo está em curto.

•  Alta resistência em ambas direções: o diodo está aberto

•  Resistência Relativamente Baixa na direção reversa: o diodo está com fuga - leaky.

•  Se a razão da resistência reversa para a direta é > 1000: o diode está bom.

Teste do diodo de Silício usando um DMM

•  Configurar o DMM para a função de teste de diodo •  Um diodo conetado na polarização-direta mostrará no

display que a tensão de junção direta pn (~0.5V to 0.7V)

•  Quando um diodo esta polarizado-reversamente pelas ponteiras de teste, o medidor mostrará over-range através da indicação de “OL” ou “1”

Teste do diodo de Silício usando um DMM - (continued)

•  Um diodo em curto apresentará uma tensão menor que 0.5V em ambas direções

•  Um diodo aberto estaria indicando no diaplay um over-range em ambas direções

•  Uma fuga no diodo mostrará uma tensão menor 2.0V em ambas direções

Data sheets

•  Útil para projetista de circuitos •  Útil para técnicos de manutenção •  Dados Típicos incluem:

ü Tensão de Ruptura - Breakdown ü Máxima corrente Direta - Maximum forward

current ü Queda de Tensão em Direto - Forward voltage drop

Cor

rren

te d

iret

a em

mA

0 0.5 1.0 1.5 0

25

50

75

100

125

150

175

200

Polarização direta em volts

Cálculo da resistência de Corpo - Bulk resistance

175 mA - 75 mA

0.875 V - 0.75 V

= 1.25 Ω

RB =

.

.

0 0.5 1.0 1.5 0

25

50

75

100

125

150

175

200

A resistência em direta decresce assim que a corrente aumenta

75 mA

0.75 V

= 10 Ω

RF =

175 mA

0.875 V

= 5 Ω

RF =

Resistência CC

.

. C

orrr

ente

dir

eta

em m

A

Polarização direta em volts

Valores da resistência do diodo de Silício

•  A resistência em reversa é bem alta: típicamente dezenas ou centenas de MΩ.

•  A resistência em direta não é a mesma da resistência de corpo.

•  A resistência em direta é sempre maior que a resistência de corpo.

•  A resistência em direta é igual a resistência de corpo mais o efeito da barreira de potencial.

RS = 10 Ω

VS = 1.5 V

O circuito pode ser resolvido de diferentes maneiras: 1. Uso da primeira aproximação (ideal). 2. Uso da segunda aproximação 3. Uso da terceira aproximação 4. Uso de um circuito simulador. 5. Uso da curva característica do diodo.

RS = 10 Ω

VS = 1.5 V

Usando a curva característica é uma solução gráfica: 1. Encontrar a corrente de saturação usando a lei de Ohm. 2. A tensão de corte-cutoff é igual a tensão da fonte. 3. Localize estes dois pontos na curva do diodo. 4. Conetar os pontos a reta de carga. 5. A interseção é uma solução gráfica.

0 0.5 1.0 1.5 0

25

50

75

100

125

150

175

200

Tensão da fonte em volts

ISAT =

10 Ω

1.5 V

1.5 V 10 Ω

= 150 mA

VCUTOFF = 1.5 V

Q

Q é o ponto de operação - QUIESCENTE

.

Solução Gráfica C

orrr

ente

dir

eta

em m

A

PARA A ÁREA DE INSTRUMENTAÇÃO

n =1 para Ge n =2 para Si

D

Região de polarização direta

http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_3/7.html

Variação da curva I-V com a temperatura

Considere um diodo de silício com n=1,5. Determine a variação na tensão se a corrente varia de 0,1 mA a 10mA. Resposta: 0,17 volts

Exercício

A região de polarização inversa!

Modelos matemáticos para a curva I-V do diodo

Equações:

ID = ISeVDnVT

ID =VDD −VD

R

1. 2.

Exemplo

Calcule ID e VD para VDD=5V e R=1KΩ. Assuma VT =25mV e IS=10-15.

Solução utilizando método iterativo

Método linear: Bateria com resistência 24/04/2012

Modelo equivalente

Figure 3.13 Piecewise-linear model of the diode forward characteristic and its equivalent circuit representation.

Exemplo

Calcule ID e VD para VDD=5V e R=1K Ω.. Assuma VT =25mV e IS=10-15. Utilize o modelo de bateria com resistência usando os seguintes parâmetros VD0=0,65 e rD=20Ω.

Um modelo ainda mais simples: Modelo de queda de tensão constante

Figure 3.15 Development of the constant-voltage-drop model of the diode forward characteristics. A vertical straight line (B) is used to approximate the fast-rising exponential. Observe that this simple model predicts VD to within ±0.1 V over the current range of 0.1 mA to 10 mA.

Modelo de queda de tensão constante

Figure 3.16 The constant-voltage-drop model of the diode forward characteristics and its equivalent-circuit representation.

Desenhe vout versus vin para o circuito abaixo assumindo o modelo de tensão constante.

Exemplo usando o modelo ideal

No exemplo anterior

•  Utilizado em aplicações envolvendo tensões muito maiores que a queda de tensão no diodo (0.6 – 0.8 V).

Resumo dos modelos

Modelam a equação exponencial: •  Modelo de bateria com resistência •  Modelo de queda de tensão constante •  Modelo do diodo ideal

Exercícios

Para o circuito abaixo, calcule ID e VD para o caso em que VDD=5 V e R=10kΩ. Suponha que o diodo tenha uma tensão de 0.7V e uma corrente de 1mA e que a variação de tensão seja de 0.1V/década de variação da corrente. Use:

a) o método iterativo; b) o modelo de segmentos lineares com VD0=0.65 V e rD=20 Ω ; c) o modelo de queda de tensão constante com VD=0.7V.

Projete o circuito da figura abaixo para proporcionar uma tensão de saída de 2,4V. Suponha que os diodos disponíveis tenham 0,7 V de queda com uma corrente de 1mA e que ΔV=0.1 V/década de variação na corrente.

Modelo para Pequenos Sinais

Modelo para Pequenos Sinais - Equacionamento

Modelo do diodo para pequenas variações próximas do ponto de polarização Q

Formas de Análise

Considere um diodo com n=2, polarizado com 1 mA. Encontre a variação na corrente como resultado da variação da tensão de a) –20 mV

b) – 10 mV c) –5 mV d) 5 mV e) 10mV f) 20 mV.

Para cada caso, faça o cálculo usando a)  o modelo para pequenos sinais b)  modelo exponencial.

Modelo do diodo para Altas Frequências

Cd - capacitância de Difusão ou acumulação, quando polarizado em forma direta

CJ - Capacitância de transição, ou junção ou depleção, quando polarizado em forma reversa

τT - tempo de transição

τT ou tt - tempo de transição ts - tempo de armazenamento trr - dos nanosegundos até 1 µs. Para diodos de chavemento ≈ centenas de pico segundos.

Modelos

Exponencial bateria com r tensão const.

Modelos

Pequenos Sinais Ideal