tcfe07082 9 analise circuitos diodos

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Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica 1 Análise de Circuitos com Díodos Teresa Mendes de Almeida Maio de 2008 © T.M.Almeida IST-DEEC- ACElectrónica Teresa Mendes de Almeida [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 2 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 Maio de 2008 © T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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Page 1: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

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

2

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

Page 2: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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

4

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

2 2

i in p n p× = =

Page 3: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

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

5

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

Page 4: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

Característica Tensão-corrente

� Característica V-I é não-linear

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ânodo cátodo

+ vD -

iD

TCFE Análise de Circuitos com Díodos

� 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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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)

8

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

q

D

T

v

nV

D Si I e≈

D Si I≈ −

Page 5: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

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

9

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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

10

+ 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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

ânodo cátodo

iD = 0

vD < 0+ -

ânodo cátodo

iD > 0

+ -

Page 6: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

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

11

+ 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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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

12

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

ânodo cátodo

iD = 0

vD < VD0+ -

ânodo cátodoD D

i i∆

Page 7: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

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

13

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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)

14

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)

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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= +

Page 8: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

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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TCFE Análise de Circuitos com Díodos Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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

TCFE Análise de Circuitos com Díodos

� são circuitos de protecção

� não deixam que tensão de entrada de outro circuito ultrapasse

determinado valor máximo/mínimo

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

vi

vMAX

vMINvi

vMAX

Page 9: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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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TCFE Análise de Circuitos com Díodos Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

Page 10: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

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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TCFE Análise de Circuitos com Díodos Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

iDvD

ânodo

cátodo

Page 11: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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= =

TCFE Análise de Circuitos com Díodos Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

+

VZ

-

iZ

6,8

O Z

ZL

L L

ZR

Z R L

V VI

R R

V VI

R

I I I

+

= =

−=

= −

Page 12: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

Circuitos Rectificadores

� Rectificador� bloco essencial na constituição das fontes de tensão

� conversão de sinais alternados em contínuos (AC → DC)

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TCFE Análise de Circuitos com Díodos

� Tipos de rectificadores� ½-onda

� onda completa

� positivos

� negativos

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

Page 13: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

Rectificador de ½-onda

� Rectificador de ½-onda positivo� considerando díodo com modelo com

fonte de tensão e resistência

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TCFE Análise de Circuitos com Díodos Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

Rectificador de onda completa

� Rectificador em ponte

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vS > 0

KVL: vD1+vO+vD2-vS = 0

v < 0

TCFE Análise de Circuitos com Díodos

� considerando modelo D com fonte de tensão: vO = |vS| – 2VD0

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

vS < 0

KVL: vD3+vO+vD4+vS = 0

Page 14: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

Page 15: TCFE07082 9 Analise Circuitos Diodos

Rectificadores

� Detector de Pico� acrescentado um condensador ao rectificador de ½-onda

29

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

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

30

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

Maio de 2008© T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrónica

6C3C

C