conteÚdo da aula -...

09/03/2017

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA

ELETRÔNICA 1 - ET74C

Prof.ª Elisabete Nakoneczny Moraes

Aula 3- MODELO ELÉTRICO DO

DIODO SEMICONDUTOR

Curitiba, 10 março de 2017.

10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 2

CONTEÚDO DA AULA

1. REVISÃO: formação do diodo

2. CONTEXTUALIZAÇÃO

3. MODELOS ELÉTRICOS DO DIODO

4. NÍVEIS DE RESISTÊNCIA

5. DIODOS EM SÉRIE E PARALELO

6. EXERCÍCIOS

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3-FORMAÇÃO DO DIODO SEMICONDUTOR

Junção PN

Processo de

recombinação dos

portadores dá

origem a uma região

desprovida de

portadores de carga

elétrica móveis

região de depleção

ou camada de

depleção.

1-REVISÃO: POLARIZAÇÃO DIRETA & REVERSA


POLARIZAÇÃO DIRETA

+ -A K

-

-- -- -

-

Cristal P Cristal N

++

+++

++

+ -

-

+ -

---

++

+

POLARIZAÇÃO REVERSA

+-A K

-

-- -- -

-

Cristal P Cristal N

++

+++

++

+ --

+-

Vcc

*A tensão da camada de depleção é um valor teórico e que na prática poderá variar:

0,5V < Si < 0,75 V0,2V < Ge <0,3 V

Vcc

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1-REVISÃO: CURVA CARACTERÍSTICA

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VD (V)

ID (A)

VjIs

Is corrente de saturação.

Resultante do movimento dos

portadores minoritários.

Polarização reversa Polarização direta

Curva característica do diodo

ID = f(VD)

Tensão de Corte: Corrente direta

desprezível

Vc


2-CONTEXTUALIZAÇÃO

Para a análise do diodo semicondutor, será estudado:

MODELO ELÉTRICO MODELO MATEMÁTICO

A simplificação utiliza estruturas elétricas

elementares e de formulação conhecidas:

resistor, capacitor e indutor,

chave,

fonte dependente ou independente,

...

)1( T

D

V

V

SD eII

Um modelo científico é uma idealização simplificada de um sistema

que possui maior complexidade, mas que ainda assim supostamente

reproduz na sua essência o comportamento do sistema complexo que

é o alvo de estudo e entendimento (Wikipédia).

Os modelos podem ser classificados como abstratos, conceitual, gráfico,

matemático entre outros.

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3-MODELO ELÉTRICO DO DIODO

O diodo semicondutor pode ser representado através de 3 modelos:

1) Ideal

VD

ID

Vj

VD

ID ID

VD

Vj

3) Linear2) Simplificado

Boylestad seções: 1.7 e 2.3 a 2.10


3-MODELO IDEAL DO DIODO

Considera-se o diodo unicamente como uma chave eletrônica que

pode assumir as condições:

Aberta polarização reversa Fechada polarização direta

+-A K

+ -A K ID

Chave eletrônica fechada:

VD0

ID limitada pelas condições

do circuito

Chave eletrônica aberta:

VD=Vfonte

ID=0

VD

ID

Curva característica

Id=f(Vd)

Polarização

reversa

Polarização

direta

A K

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3-MODELO SIMPLIFICADO DO DIODO

Considera-se o diodo como uma chave eletrônica que pode assumir

as condições aberta ou fechada em série com uma fonte de

tensão cujo valor corresponde ao valor da tensão da barreira de

potencial, no caso “Vj”.

Outras possíveis designações para Vj: Vth ou VT(threshold), V (limiar),

VD (diodo).

Vj VD

ID

Curva característica: Id=f(Vd)

DIODO

IDEAL

A K

Vj=0,7V para Si

Vj=0,3V para Ge


3-MODELO LINEAR DO DIODO

Além do próprio diodo, considera-se a tensão da barreira de potencial

– Vj, VT e a resistência AC média - rav

A inserção da resistência modela o comportamento ôhmico de um resistor.

DIODO

IDEAL

AK

VD

ID

Vj

Curva característica: Id=f(Vd)

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4-NÍVEIS DE RESISTÊNCIA –DIODO REAL RESISTÊNCIA DC OU ESTÁTICA

A natureza da tensão aplicada ao diodo (forma de onda), define um

ponto de operação (Q). Esse por sua vez introduz níveis de resistência

distintos para cada tipo de sinal aplicado aos seus terminais.

1. Resistência DC ou Estática (RD)

Quando o diodo está submetido a uma fonte de tensão contínua –

CC (DC)

RDC = VD / ID


4-NÍVEIS DE RESISTÊNCIA –DIODO REAL RESISTÊNCIA AC OU DINÂMICA (rd)

O diodo é submetido a composição de dois sinais de tensão: CC e CA.

A fonte CC determina um ponto específico de operação (Q), nele

aplica-se um sinal senoidal normalmente de pequena intensidade.

vd(t) = A sen (wt)

Id

Vdrd

Derivando a equação:

)1(

.

KT

Vdk

eIsId

chega-se a:

d

dI

mVr

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4-NÍVEIS DE RESISTÊNCIA –DIODO REAL RESISTÊNCIA AC média(rav)

Quando o sinal senoidal é de grande amplitude, ou seja o diodo está

submetido a uma CA de grande amplitude, cujos limites de operação

estão claramente definidos.

.. ptaptd

avI

Vdr


4-QUADRO RESUMO

Tipo Equação CaracterísticasDeterminação

Gráfica

Modelo linear do diodo

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Exemplo 3.5 do Sedra

Determine os valores da corrente ID e da tensão VD para o circuito.

Dados: VDD=5V, R=1kΩ, VD0=0,65V e rD=20Ω

1) Identificar e relacionar os dados

conforme a nomenclatura que

conhecemos:VD tensão nos terminais do diodo

VD0 tensão da camada de depleção diodo Vj

rD resistência estática do diodo

2) Cálculo de ID e VD:

𝐼𝐷 =𝑉𝐷𝐷 − 𝑉𝐷0𝑅 + 𝑟𝐷

𝐼𝐷 =5 − 0,65

1𝑘 + 0,02𝑘

𝑉𝐷 = (𝐼𝐷 . 𝑟𝐷) + VD0

LKT: -VD + VRD +VD0 =0

𝐼𝐷 = 4,26𝑚𝐴

𝑉𝐷 = 4,26𝑚. 0,02𝑘 + 0,65

𝑉𝐷 = 0,735𝑉


5-DIODOS EM SÉRIE E EM PARALELO

Para a análise e solução de circuitos contendo diodos deve-se:

1. Usar um dos modelos de representação do diodo: ideal,

simplificado ou linear;

2. Usar como padrão o valor da tensão de junção, sendo:

Si= 0,7V e Ge = 0,3V;

3. Verificar o tipo de polarização do diodo: direta ou reversa e com

isso substituir o diodo pela chave eletrônica correspondente;

4. Empregar as técnicas de solução de circuitos para o cálculo das

grandezas desejadas.

Exemplo 1: Como o diodo está polarizado? Adotar modelo ideal.

a) b)

Diretamente: chave

eletrônica fechada

c)

Reversamente: chave

eletrônica aberta Diretamente: chave

eletrônica fechada

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5-DIODOS EM SÉRIE

Exemplo 2 (ex. 2.6 Boylestad): Calcular VD, VR e ID. Adotar modelo simplificado.

E

8V

2k2R

0,7V

VD

LKT: +E-VD - VR=0

Diodo modelo simplificado


5-DIODOS EM SÉRIE

Exemplo 3 (ex. 2.9 Boylestad): Calcular V0 e ID. Adotar modelo simplificado.

LKT: +E-VT1-VT2 - VR=0

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5-DIODOS EM PARALELO

Exemplo 4 (ex. 2.12 Boylestad): Calcular V0, I1, ID1 e ID2.

Adotar modelo simplificado.Vo em // com D1 e D2, portanto:

Para determinar a corrente em

cada diodo, considera-se que os

dois diodos são idênticos:


5-DIODOS EM PARALELO

Exemplo 5 (ex. 2.14 Boylestad): Calcular V0. Adotar modelo simplificado.

Os diodos são de materiais diferentes. Como a tensão de junção do diodo de Ge é

menor que a de Si, isso implica em que ela é primeiramente alcançada, resultando

na condução do diodo de Ge.

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6-EXERCÍOS PROPOSTOS


6-EXERCÍCIO PROPOSTO AVULSO 1

Id=?

1k

4V

2mA

1) Determinar a corrente Id. Admitir modelo simplificado.

a) Determinar se o diodo conduz?

Para isso utiliza-se o Teorema de

Thèvenin:

1)Retira-se o elemento de estudo;

2)Calcula-se a tensão de Th Vth;

3)Calcula-se a resistência de Th Rth.

a1)

1k

4V

2mA

A

B

Vth = VAB

A fonte de corrente IMPÕE no

circuito a circulação de uma

corrente de 2mA que percorre

R1k.

A tensão VAB é calculada:

a2)

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6-EXERCÍCIO PROPOSTO AV1 (cont)

a2)

1k

4V

2mA

A

B

Vth = VAB

A fonte de corrente IMPÕE no

circuito a circulação de uma

corrente de 2mA que percorre

R1k. A tensão VAB= Vth é

calculada:

-

+𝑉𝑡ℎ + 𝑉1𝑘 − 4 = 0

𝑉𝑡ℎ = 4 − 𝑉1𝑘

𝑉𝑡ℎ = 4 − (2𝑚. 1𝑘)

𝑉𝑡ℎ = 2𝑉

a3)Rth

1k

4V

2mA

FC circuito aberto

FT curto circuito

+Vt

h

𝑅𝑡ℎ = 1𝑘Ω


6-EXERCÍCIOS PROPOSTOS (cont)

b) Redesenhando o circuito:

Id=?

1k

4V

2mA Id=?

1k

2V

c1)Modelo ideal:

Id = 2/1k = 2mA

c2)Modelo simplificado Si:

Id = 2-0,7/1k = 1,3mA

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6-EXERCÍCIO PROPOSTO AVULSO 2

2) Determinar V1 e V2:

2.1) Verificar o estado do diodo.

Aplicando o Teorema de Thèvenin:

a) Vth

8k

V1 V2

10mA2k 1k

8k

Vth

10mA2k 1k

V1

Vth

10mA

1kRth

Vth

10mA

1kRth

V2

Re= 8k//2k = 8k.2k/10k

Re 1,6k ohms

Vth

10mA

1kRe


6-EXERCÍCIO PROPOSTO AV 2 (CONT)

Vth

10mA

1kRe=1,6k

c) Rth

Vth= 10m. 1,6k

Vth= 16V

b)

Vth+

-

Potencial de

Vth??

Vth

10mA

1kRe=1,6k

Rth= 1,6k+ 1k

Rth= 2,6kohms

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6-EXERCÍCIO PROPOSTO AV 2 (CONT)

2.2) Redesenhando o

circuito:

Diodo polarizado __________________REVERSAMENTE

2,6k

16V

V1

Vth

10mA

1kRth

=16V V2

Vth

10mA

1kRth

=0V

3)Resposta

8k

V1 V2

10mA2k 1k

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