Eletrônica I – ELE30028

AULA 03

MSc. Ciro J. Egoavil Montero

Departamento de Engenharia Elétrica

Circuitos com Diodos

Capítulo 4

Tópicos do Capítulo 4

ü Retificador de meia onda ü Transformador ü Retificador de onda completa ü Retificador em Ponte ü Filtro de entrada com bobina - Choke ü Filtro de entrada com Capacitor

Topics Covered in Chapter 4 (Continued)

ü Tensão de pico inversa e corrente de surto ü Outros tópicos de fontes de alimentação ü Troubleshooting ü Ceifadores e limitadores - Clippers and limiters ü Grampeadores - Clampers ü Multiplicadores de tensão

Retificador de Meia Onda

•  Tem um diodo em serie com o resistor de carga •  A tensão sáida na carga é uma meia onda

Vin Vout Ideal: VP(in) = VP(out)

Vin

Vout

Retificador de Meia Onda

VP

VP

Exercício usar o PSIM

Sinais no retificador de Meia Onda

•  O valor cc da saída é o valor médio. •  Vcc = VP/π •  fout = fin

•  Seegunda aproximação: VP(out) = VP(in) - 0.7 V

Transformador de entrada

•  Abaixador •  A tensão rebaixada •  A Corrente aumenta •  A tensão no secundário é igual a tensão no

primário dividido pela razão de espiras

Revisão do Transformador

•  Quando as razão das voltas (N1/N2) é maior que 1, a tensão do primário é rebaixada.

•  Quando as razão é menor que 1, a tensão do primário é elevada.

•  O pontos no extremos têm a mesma fase instantânea. •  Retificaodres de onda completa requerem um

transformador com tomada central - winding with a center tap.

Retificador de Onda Completa

•  Tem um transformador com tomada central com 2 diodos e um resistor de carga

•  A tensão da carga é um sinal de onda completa cujo pico é a metade da tensão do secundário.

Retificador de onda completa Vin

Vout

Vout C.T.

. .

Exercício usar o PSIM

Sinais do retificador de onda completa

•  O valor cc da saída éo valor médio. •  Vcc = 2VP/π •  fout = 2fin

•  A input de cada diode é a metade da tensão secundário.

•  Segunda aproximação: VP(out) = VP(in) - 0.7 V

Ponte retificadora

•  Tem 4 diodos •  A tensão na carga é um sinal de onda completa com

valor de pico igual à tensão do secundário.

Ponte Retificadora Vin

Vout

Vout

Exercício usar o PSIM

Sinais na Ponte retificadora •  O valor cc da saída é o valor médio. •  Vcc = 2VP/π •  fout = 2fin

•  Segunda aproximação: VP(out) = VP(in) - 1.4 V

Características de Diodos Retificadores e de Sinal

Parâmetros Característicos dos Diodos

Maximum repetitive reverse voltage = VRRM, the maximum amount of voltage the diode can withstand in reverse-bias mode, in repeated pulses. Ideally, this figure would be infinite. Maximum DC reverse voltage = VR or VDC, the maximum amount of voltage the diode can withstand in reverse-bias mode on a continual basis. Ideally, this figure would be infinite.

Maximum forward voltage = VF, usually specified at the diode's rated forward current. Ideally, this figure would be zero: the diode p r o v i d i n g n o o p p o s i t i o n whatsoever to forward current. In reality, the forward voltage is described by the “diode equation.”

Maximum (average) forward current = IF(AV), the maximum average amount of current the diode is able to conduct in forward bias mode. This is fundamentally a thermal limitation: how much heat can the PN junction handle, given that dissipation power is equal to current (I) multiplied by voltage (V or E) and forward voltage is dependent upon both current and junction temperature. Ideally, this figure would be infinite.

Maximum (peak or surge) forward current = IFSM or If(surge), the maximum peak amount of current the diode is able to conduct in forward bias mode. Again, this rating is limited by the diode junction's thermal capacity, and is usually much higher than the average current rating due to thermal inertia (the fact that it takes a finite amount of time for the d i o d e t o r e a c h m a x i m u m temperature for a given current). Ideally, this figure would be infinite.

Maximum total dissipation = PD, the amount of power (in watts) allowable for the diode to dissipate, given the dissipation (P=IE) of diode current multiplied by diode voltage drop, and also the dissipation (P=I2R) of diode current squared multiplied by bulk resistance. Fundamentally limited by the diode's thermal capacity ( a b i l i t y t o t o l e r a t e h i g h temperatures).

Operating junction temperature = TJ, the maximum allowable temperature for the diode's PN junction, usually given in degrees Celsius (oC). Heat is the “Achilles' heel” of semiconductor devices: they must be kept cool to function properly and give long service life.

Storage temperature range = TSTG, the range of allowable temperatures for storing a diode (unpowered). Sometimes given in conjunction with operating junction temperature (TJ), because the maximum storage temperature and t h e m a x i m u m o p e r a t i n g temperature ratings are often identical. If anything, though, maximum storage temperature rating will be greater than the maximum operating temperature rating.

Thermal res i s tance = R(Θ ) , the temperature difference between junction and outside air (R(Θ)JA) or between junction and leads (R(Θ)JL) for a given power dissipation. Expressed in units of degrees Celsius per watt (oC/W). Ideally, this figure would be zero, meaning that the diode package was a perfect thermal conductor and radiator, able to transfer all heat energy from the junction to the outside air (or to the leads) with no difference in temperature across the thickness of the diode package. A high thermal resistance means that the diode will build up excessive temperature at the junction (where its critical) despite best efforts at cooling the outside of the diode, and thus will limit its maximum power dissipation.

Maximum reverse current = IR, the amount of current through the diode in reverse-bias operation, with the maximum rated inverse voltage applied (VDC). Sometimes referred to as leakage current. Ideally, this figure would be zero, as a perfect diode would block all current when reverse-biased. In reality, it is very small compared to the maximum forward current. Typical junction capacitance = CJ, the typical amount of capacitance intrinsic to the junction, due to the depletion region acting as a dielectric separating the anode and cathode connections. This is usually a very small figure, measured in the range of picofarads (pF).

Reverse recovery time = trr, the amount of time it takes for a diode to “turn off” when the voltage across it alternates from forward-bias to reverse-bias polarity. Ideally, this figure would be zero: the diode halting conduction immediately upon polarity reversal. For a typical rectifier diode, reverse recovery time i s in the r ange o f t ens o f microseconds; for a “fast switching” diode, it may only be a few nanoseconds.

ü A Maioria dos parâmetros vária com a temperatura ou outras condições operacionais, e u m ú n i c o v a l o r n ã o p o d e d e s c r e v e r completamente a faixa de operação.

ü Assim, os fabricantes proporcionam gráficos das faixas dos componentes versus outras variáveis (como por ex., temperatura), de tal modo que o projetista do ckto. tenha uma melhor ideia do que dispositivo é capaz de fazer

Filtro de entrada ou Choke

•  Divisor de tensão LC •  XL >> XC •  O valor médio do sinal retificado passa para o resistor

de carga

O Filtro de entrada choke

Vin L

C RL Vout

Quando XL >> XC:

XC Vout ≅

XL Vin

.

Filtro de entrada com Capacitor

•  Mais amplamente usado •  O valor pico do sinal retificado passa o resistor de

carga •  Com capacitor maior, temos um ripple menor

+

-

0

Carga

Descarga

VP

VR = I

f*C

Onde VR é a tensão de ripple pico a pico

Filtro com capacitor de entrada

Efeitos na tensão e corrente

•  A regulação da linha ac pode ser efeito •  Resistência de corpo - Bulk dos retificadores causa uma

queda de tensão •  A Resistência das espiras do transformador causam

uma queda de tensão •  O aumento no ripple e diminuição na média cc quando

aumenta a corrente de carga

Diagrama em blocos de uma fonte

Tensão de Pico Inverso

•  Máxima tensão através do diodo em não condução do circuito retificador.

•  A tensão deve ser menor que a tensão de ruptura do diode

Parâmetros dos Diodos - ratings

•  O Rectifier de meia onda com filtro capacitiva na entrada: PIV = 2VP Idiode = Icc

•  O Rectifier de onda completa com filtro capacitiva na entrada: PIV = VP Idiode = 0.5Icc

•  O Retificador em ponte com filtro capacitiva na entrada: PIV = VP Idiode = 0.5Icc

Problemas Típicos da Fonte em Ponte

•  Sem saída: - - fusível queimado -blown fuse, dois ou mais diodos abertos, carga em curto

•  Saída baixa/ripple extra - - filtro ruim, diodo aberto, espiras em curto, sobre carga

•  Saída onda completa - - filtro capacitivo aberto •  Frequência do ripple de meia onda - - diodo aberto

Tópicos das Fontes de alimentação

•  Transformdores Reais ou comerciais usualmente especificam a tensão do secundário para uma determinada corrente de carga

•  Fusível de ação lenta - Slow-blow fuses são sempre usados para proteger contra surtos de corrente

•  A corrente média do diodo em um retificador de meia onda é igual a corrente cc na carga

•  Em onda completa ou ponte, a corrente média em qualquer diodo é a metade da corrente cc da carga

Vin Vout RS

RL

Ceifador Positivo

0.7 V

Vin Vout RS

RL

Ceifador Negativo

-0.7 V

Ceifadores e limitadores

•  Um ceifador produz um sinal ceifando as partes positivas ou negativas do sinal

•  Um limitador ou diodo de grampo protege circuitos sensíveis a um excesso na entrada

Circuito grampeador - Clamper

•  Desloca o sinal positiva ou negativamente adicionando uma tensão cc ao sinal

•  Usado para: detector de pico a pico produz uma tensão na carga igual ao valor pico a pico

C RL

Grampeador Positivo

Vout

-0.7 V

Quesito do Grampeador: RLC > 100T

C RL

Grampeador Negativo

Vout 0.7 V

Quesito do Grampeador: RLC > 100T

Multiplicadores de tensão

•  Um dobrador de tensão é similar ao detector de pico a pico mas usa diodos retificadores em lugar de diodos de pequeno sinal

•  Triplicadores e quadriplicdores de tensão multiplicam o pico da entrada por um fator de 3 e 4

Dobrador de tensão de meia onda

C2

D2

2VP

C1

D1

VP

Dobrador de tensão de onda completa

VP

VP

2VP