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Circuitos Electrónicos Básicos 2

Díodo ideal


Semicondutores

Elementos da coluna IV da Tabela Periódica.

• Condutividade: maior que a dos isolantes, menor que a dos condutores

• Germânio Ge : inicialmente

• Silício Si : actualmente: mais abundante e mais fácil

2


+4 +4 +4

+4 +4 +4

+4 +4 +4

SiElectrões da camada de valência

Ligação covalente

• Intrínseco: sem impurezas.

• cristal: 4 electrões periféricos partilhados por átomos vizinhos.

Semicondutores


+4 +4 +4

+4 +4 +4

+4 +4 +4

Si

Electrão livreLacuna

Ligação covalente destruída• Electrões livres - libertos

das ligações – originam par electrão-lacuna

• Carga do electrão:

• lacuna: ausência de electrão. Comporta-se como carga +q

191.60 10q C−− = −

Semicondutores

3


/2 3

23

electrões por unidade de volume lacunas por unidade de volume

no semicondutor intrínseco

em que: - temperatura absoluta em kelvin (K) - Constante de Boltzman, 1.38 10 J/K

G

iE kT

i

G

npn p nn BT e

Tk kE

−

−

= =

=

=

31

10 3 22

1.12eV (para o Si) "bandgap energy" representa a energia mínima para formar par electrão-lacuna

5.4 10 (para o Si) depende do materialTípico: 300K =1.5 10 portadores/cm em 5 10 átomosi

BT n

= →

= →

= → 3/cm

Semicondutores


+4 +4 +4

+4 +5 +4

+4 +4 +4

Si

Electrão livre

Dadores (tipo n): antimónio fósforo arsénico

• Elementos dadores: coluna V5 electrões periféricos

• ND átomos dadores por unidade de volume

• Tipo n: com dadores

electrões livres predominam n ≈ND

• Em equilíbrio térmico

np = ni2

Semicondutores

4


+4 +4 +4

+4 +3 +4

+4 +4 +4

Si

Lacuna

Aceitadores (tipo p): boro gálio indio• Elementos aceitadores:

coluna III3 electrões periféricos

• NA átomos aceitadores por unidade de volume

• Tipo p: com aceitadores

lacunas predominam p ≈NA

• Em equilíbrio térmico

np = ni2

Semicondutores


2

movimento dos portadores de carga (electrões ou lacunas) 2 mecanismos: difusão e deriva

gradiente de densidade de portadores ( , ) densidade de corrente (A/m )

;

Condução:

Difusão:

n n p p

n p

dn dpJ D q J D qdx dx

D

= = −

2 2

, são constantes de difusão

Si intrínseco: 34cm /s; 12cm /sn p

n p

D

D D= =

Semicondutores

5


,

2 2

e campo eléctrico

mobilidades

relação de Einstein

tensão térmica 25mV a 3

acção do campo eléctricovelocidade

Si intrínseco: 1350cm /Vs; 480cm /Vs

Deriva:

n n p p

n p

n p

pnT

n p

T

E E E

DD V

kTVq

v v

µ µ

µ µµ

µ µ

→

→

= =

= ≈

= − =

= =

1 condutividade

00K (temp. ambiente)

= 2.5 a 3

densidade de corrente: ( )n p

drift n pJ q n p Eσ ρ

µ µ

µ µ−= →

= +1442443

Semicondutores


2

iões dadoresiões aceitadores

- electrões livres+ lacunas

iões representados só na região de deplecção

Barreira de potencial: ln

difusão+recombinaçãoequilíbri

campo eléctrico deriva

A p D n

A DO T

i

N x N xN NV V

n

⊕Θ

=

=

→

o, 0, (circuito aberto)I =

Junção pn

6


Barreira de potencial aumenta

→região de deplecção alarga

→VO+VR

Sem disrupção:

corrente inversa desprezável VR<Vz

Disrupção: “breakdown”

Corrente IR elevada e independente da tensão VR<Vz

Disrupção= efeito Zener (Vz <5V) + avalanche (Vz >7V)

• Ef. Zener: Campo eléctrico forte →gera pares electrão-lacuna

• Avalanche: colisão portadores-átomos →gera pares electrão-lacuna

Junção pn –polarização inversa


Barreira de potencial diminui

→diminui campo eléctrico

→VO-V

→corrente directa significativa

Portadores maioritários de um lado são injectados para o outro lado, passam a minoritários e há difusão+recombinação, excesso de portadores minoritários, máx nas fronteiras da zona de deplecção.

Junção pn –polarização directa

7


Barreira de potencial diminui

→diminui campo eléctrico

→VO-V

→corrente directa significativa

/

2,

/

se não for: V» a corrente é desprezável

= ; comprimento de difusão

proporcional à área, depende muito de

1)

(

T T

T

p nS i p n

D p

V

A n

S

nV V nVS S

V

D DI Aqn LN L N L

I

I

I

T

I e e

+

= −

≈

→

Junção pn –polarização directa


Característica i-v do díodo

Os circuitos que utilizam os díodos na zona de disrupção são diferentes dos circuitos que utilizam os díodos na polarização directa ou inversa. Isto permite utilizar modelos diferentes para o díodo de acordo com a aplicação.

8


Aproximação linear por troços: Díodo ideal

Díodo ideal


Rectificador com díodo ideal

9


D

díodos de Silício0.6 0.8V

na figura considera-se V 0.7Vpara =constante

2mV/ºC

Dv

ivT

= −=

∆≈ −

∆

corrente directa máximatensão

E

i

specific

nversa m

ações:

áxima

Aproximação linear por troços: Díodo com tensão constante


vri

∆=

∆

D0

díodos de Silício0.6 0.8V

V 0.5V-0.65Vpara =constante

2mV/ºC

Dv

ivT

= −≈

∆ ≈ −∆

Aproximação linear por troços: Díodo com resistência

10


( )D D

DD D D

i f v

V Ri v

= = +

Método gráfico Método iterativo

0

0

1

1 11 0 1 0

0 0

11

0.70.7

ln ln

D

D

DDD

D DD D T D D T

D D

DD DD

iv V

ViR

i iv v nV v v nVi i

V viR

=−

=

= + − =

−

←

= K

Ponto de funcionamento em repouso


O PFR estabelece a zona da característica em que o dispositivo está a funcionar.

Devido à linearização do modelo pode calcular-se de forma simplificada o ganho (amplificação) de um sinal de baixa amplitude.

Modelo incremental

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• Díodo ideal: útil para avaliação de quais os díodos em condução e rápida análise do funcionamento do circuito. Pode ser utilizado se as tensões no circuito forem muito superiores à tensão de condução do díodo.

• Díodo com tensão constante: Fácil de utilizar e muito prático para cálculos manuais.

• Díodo com resistência: Escolha da tensão e resistência depende dos valores em que o circuito vai operar. Menos usado.

• Modelo exponencial: Com base física e preciso.• Modelo incremental: Prático quando se pretende analisar

a resposta a sinais de baixa amplitude. Serve de introdução aos modelos incrementais de transistores

Resumo


Aplicações: Fontes de Alimentação

• Rectificador– Rectificador de meia onda– Rectificador de onda

completa– Ponte de Graetz

• Filtro (passa-baixo)• Reguladores de tensão

– Com díodo de Zener– série

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Rectificador de meia-onda

• Transformador– Isolamento galvânico– Abaixamento da tensão– vs alternada, v unidirecional


Rectificador de meia-ondao

( )

2max 1

1

0

Desprezando a queda de tensão no díodoarcadas positivas de

Valor médio da sinusoide simplesmente rectificada

1 1sin2

sentido do díodo trocadoarcadas negativas de

O s

S m

o Om Omav

O

v vnV Vn

v V d V

v

π

α απ π

=

≈

= =

=

∫

sv

13


Rectificador de Onda Completa

• Transformador com tomada no ponto médio do secundário.

( )

1

2

1

2

0 conduz cortado

20 cortado conduz

(desprezando a queda de tensão no díodo quando conduz)sentido dos díodos trocados

S O S

O S

S O S O Omav

O S

v D v vv vD

v D v v v VD

v v

π

> = =

< = − =

→ = −


Rectificador em Ponte de Graetz

• Vantagens :– Secundário do transformador sem tomada central com

metade da tensão

vs>0; vO=vsvs<0; vO=-vs

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Filtro (passa-baixo)

Tensão alternada – rectificador –tensão rectificada – filtro LP – tensão ≅ contínua (com tremor, “ripple”)

Im

Im Im

»desprezando a queda de tensão no díodocarga perdida = carga reposta

amplitude do tremor

ORC T v V

V VC V T VR fCR

→ ≈

∆ = → ∆ =


Díodo Zener

• Para funcionar com polarização inversa.

• Modelo mais simples assume rz=0

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…exemplo

• …como é que calcula I, IZ e IL?


Díodo Zener

• Ef. Zener (Vz <5V)

• Avalanche (Vz >7V)

_

(directa)

sugere uma combinação simples pouco sensível à te

Variação com a tem

mperatura

peratura

2mV/ºC

ex:

6.8V 0.7V 7.5V

-

z

z D z eq

VT

V V V

vT

∆≈

∆≈ +

∆

= ∧ = → =

∆

corrente máxima (ou potência)t

E

e

specific

nsão de

ações:

Zener

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Exemplos de circuitos

limitadores

Circuitos Limitadores


Regulador paralelo (díodo Zener // carga)

2

2 1 1 22 1

2

independente de e de

; ;

Usa-se para potências muito baixasnormalmente 0, gerador de tensão de referência.

I z O Z

I

Z I ZZ

v V v Vv R

V v Vi i i i iR R

i

> → =

−= = = −

≈

R2

R1 i 2i 1

vOv I

R2

R1 i 2i 1

vOv Ir zVZ

Regulador de tensão com díodo Zener

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Receptor de Satélite


Considere o circuito representado na figura, em que R1=1kΩ, R2=4kΩ, e que|VZ|=3V.

1. Determine i1, i2, iD2 e vO quando vI = 5 V (considere o modelo com fonte de tensão).

2. Indique como calcularia o modelo com resistência de D2 para os valores da alínea anterior.

3. Represente vO(t) para vI (t)= 5 +1 sin(2π 103 t) V e diga qual a amplitude máxima de variação de vI para que o circuito se comporte como regulador.

R2

i2i1

vOvI

R1

D1D2

1ºTeste (3/11/2004)

18


R2

i2i1

vOvI

R1

D1D2

1ºTeste (3/11/2004)

2_ _

1 2

_ _1 23 3

1 1

1 2

Hipótese: díodos ao corte?

Considerando =0.7V 4 3.7

Os díodos estão a conduzir.( ) ( )5 3.7 3.71.3 0.925

1 10 4 10

0.375 3.7

1)

D on O I Z D on

I Z D on Z D on

D O

Rv v v V V V VR R

v V V V Vi mA i mA

R R

i i i mA v V

→ = = > + =+

− − +−= = = = = =

⋅ ⋅

= − = =

_

__ 3

Pode considerar-se no intervalo [0.5, 0.65]V.

(0.7 ) 0.7 0.5Consid

2)

erando =0.5V 5330 0.375 10

D on

D onD on D

D

vV

v Ri −

− −→ = = = Ω

− ⋅


R2

i2i1

vOvI

R1

D1D2

1ºTeste (3/11/2004)

3 32

1 2

4 [5 1sin(2 1 10 )] 4 0.8sin(2 1 10 )1 4

sería um bom regulador se a tensão na saída não fosse abaixo dos 3.7V, ou seja 4/5 Vi_max=0.3=> Vi_max =0.375 V de amplitude.

3)

O IRv v t t

R Rπ π= = ⋅ + ⋅ = + ⋅

+ +

54.8

3.24

6

3.7

vI

vO (sem regulação)

vO (com regulação)

19


Considere o circuito representado na figura, em que R=1kΩ.

1. Determine o valor da tensão na saída vOquando I = 1 mA utilizando para o díodoo modelo com fonte de tensão (VD=0.7V).

2. Determine novamente o valor da tensão na saída vO quando I = 1 mA e em que os díodos têm n=1 e IS=10-14A.

3. Indique como é que a tensão de saída varia com a temperatura.

1ºExame (19/1/2005)

D1D2

vO

I

R


1ºExame (19/1/2005)

D1D2

vO

I

R1 2

33

14

1 2

1 0.7 0.7 2.4

1 10ln 25 10 l

1)

2)

3)

: considerando R independente da temperatura

é dominan

n 0.63 ;1 10

1 0.63 0.63 2.26

ten

.

!l

2

O D D

D TS

O D D

SD T

TS

S

Nota

v IR v v V

Iv nV VI

v IR v v V

IIv nV TI V

v m

I

−−

−

= + + = + + =

⋅= = ⋅ =

⋅

= + + = + + =

↑= ∴ ↑

↑

∆ = −

a

/º diminui com a temperatura.OV C v∴

díodoideal - técnico lisboa - autenticação · 3 circuitos electrónicos básicos 6 23/ 23...

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