Diodos

1. Diodos

2. O Díodo Ideal • Um díodo consiste num dispositivo capaz de permitir a passagem de corrente num sentido e impedir no sentido oposto. Símbolo do díodo Característica do díodo Id cátodo ânodo + - Vd Vd Id corrente

3. Modelo simplificado Vd • Devido ao carácter exponencial da característica do Diodo Vd pode ser bem aproximado por 0.7V para um grande gama de valores de correntes. • A resistência rd assume normalmente valores reduzidos. Id 0,7V

4. p n A Junção p-n • Junção p-n • É uma aproximação do diodo real. • Constituída pela junção de dois materiais semicondutores,tipo-p e tipo-n. Semicondutor tipo-n Semicondutor tipo-p

5. O díodo de junção pn consiste na junção de dois materiais, um semicondutor tipo p em contacto com um semicondutor tipo n Os semicondutores tipo p e n consistem num substrato (silício puro, p.ex.) ao qual foram adicionadas impurezas tipo P (elementos com 3 elétrons na última órbita) ou tipo N (elementos com 5 elétrons na última órbita)

7. Elétrons de valência

8. Semicondutores – tipo n e tipo p Ao contrário, átomos trivalentes, como o Boro, o Gálium, o Índio, etc., constituem impurezas aceitadoras do tipo p visto que deixam um lugar vago para um elétron de valência; designa-se por buraco ou lacuna Átomos pentavalentes, como o Fósforo, o Arsénio, o Antimónio, etc., constituem impurezas doadoras do tipo n visto que deixam disponível o 5º elétron de valência que facilmente se torna um elétron livre.

10. A junção p-n em equilíbrio termodinâmico • A junção dos dois semicondutores produz uma corrente de difusão de elétrons livres e de lacunas de tal forma que se forma uma barreira de potencial. Região de depleção E V - - + + p n - + - + Diferença de potencial, V < 0 ND NA 0 Campo eléctrico (E) x Potencial (V)

11. Região de depleção • Devido à recombinação entre elétrons e livres e lacunas existe uma região em que a concentração destes está bastante abaixo do restante: Região de depleção ou região de transição Região de depleção E V - - + + p n - + - +

12. - + p n - + - + + - Junção polarizada diretamente • Polarização direta + - • Provoca o estreitamento da região de depleção e a diminuição da barreira de potencial. • Facilita a passagem da corrente.

13. - + p n - + - + - + Junção polarizada inversamente • Polarização inversa - + • Provoca o alargamento da região de depleção e o aumento da barreira de potencial, até bloquear a passagem da corrente. • Funciona como um capacitorcuja carga é armazenada na região de depleção.

14. Díodo polarização Quando o díodo retificador está polarizado inversamente (Ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) não conduz (está ao corte). O díodo retificador é um componente unidireccional ou seja, só conduz num sentido (quando o Ânodo está a um potencial positivo em relação ao Cátodo). Nessa situação diz-se que o díodo está polarizado diretamente. K A + A K VCC _ + VCC _

15. Leitura das características técnicas Exemplo: Díodo retificador 1N4007 VR = 1000V Tensão inversa máxima que se pode aplicar ao díodo em polarização inversa. IF = 1A Corrente direta máxima permanente que pode circular pelo díodo. IR = 5A Corrente inversa que percorre o díodo quando polarizado inversamente VF = 1,1V Queda de tensão interna máxima quando o díodo polarizado diretamente conduz uma corrente direta de 1A.

16. VF IF + _ + + VCC RC _ _ Reta de carga Consideremos o circuito: • VCC + VF + RC.IF = 0 • VF + RC.IF = VCC Encontra-se uma equação que relaciona VF e IF: VCC = VF + RC.IF Esta equação permite determinar os dois pontos da reta de carga, que sobreposta à curva característica do díodo, determinará o ponto de funcionamento (Q) do díodo.

17. Reta de carga Este é um método gráfico que permite que encontremos o ponto de funcionamento do díodo. Nota que a reta de carga depende do circuito (VCC e RC) em que o díodo está inserido, enquanto que a curva característica é fornecida pelo fabricante. IF VCC = VF + RC.IF Corrente de saturação Tensão decorte IF=0  VCC=VF Corrente de saturação VF=0  IF=VCC / RC Ponto de funcionamento (Quiescente) IFQ Reta de carga VF VFQ Tensão de corte

18. mA 5 4 3 Q 2,5 2 1 1 2 3 1,1 Exemplo da determinação do ponto de funcionamento (Q) de um díodo VCC = VF + RC.IF IF Tensão decorte IF=0  VCC=VF  VF=3 V Corrente de saturação VF=0  IF=VCC / RC  IF=3 / 750 IF= 4 mA + VCC=3V RC=750 _ Para as condições do circuito (VCC=3Volt e RC=750) e a curva característica representada, a corrente direta no díodo será de IFQ≈ 2,5mA e a tensão direta será de VFQ=1,1V.

19. Aplicações de díodos Retificadores Ceifadores ou Limitadores e Grampeadores Diodo Zener

20. 1a.Retificador de ½ Onda D D D D O O O

21. 1.b Retificadores ½ onda e onda completa O

22. Retificador de onda completa

23. Retificador de onda completa

24. Retificador de onda completa

25. Retificador de onda completa – Tensão média

26. Retificador de onda completa – Tensão média para díodos reais

27. Retificador de onda completa – Tensão reversa máxima

28. Retificador de onda completa com center tap

30. Retificador de onda completa com center tap

31. O orifício é para facilitar a instalaçãode dissipadores de calor Ponte retificadora de potência Ponte retificadora de média potência. Ponte retificadora vista por dentro E S S E Terminais da ponte retificadora Ponte retificadora comercial Para obter corrente contínua é necessário filtrar (através de bobinas e/ou capacitores) a corrente contínua pulsante obtida na saída da ponte retificadora (S-S) Sinal na entrada (E) da ponte: Sinal na saída (S) da ponte:

32. 1.c Conversor AC/DC

33. 2.a Limitadores ou Ceifadores

34. Limitadores ou Ceifadores

35. Limitadores ou Ceifadores

36. Limitadores ou Ceifadores

37. Limitadores ou Ceifadores

38. Grampeadores

39. Região de polarização Inversa • Se a tensão inversa aplicada a um díodo for muito forte, o díodo passa a conduzir, apresentando 2 efeitos: • Efeito de Zener • O campo eléctrico é suficientemente forte para gerar pares elétrons-lacuna na região de depleção. Resulta em díodos que operam com esta região bem definida. • Efeito de Avalanche • A energia cinética dos portadores minoritários sobe a influência do campo elétrico é suficiente elevada para quebrar as ligações covalentes.

40. 3. Díodo Zener- Constituição Um díodo zener é constituído por uma junção PN de material semicondutor (silício ou germânio) e por dois terminais, o Ânodo (A) e o Cátodo (K). Símbolo:

41. Tensão de zener (VZ= 27 V) K K A K A A Tensão de zener (VZ= 8,2 V) Identificação visual dos terminais O terminal que se encontra mais próximo do anel é o cátodo (K).

43. Princípio de funcionamento • Díodo retificador se comportava quase como isolador quando a polarização era inversa. • O mesmo se passa com o díodo zener até um determinado valor da tensão (VZ), a partir do qual ele começa a conduzir fortemente. • Qual será então o fato que justifica esta transformação de isolador em condutor? • teoria do efeito de zener e o efeito de avalanche.

44. Principio de funcionamento Efeito de zener – ao aplicar ao díodo uma tensão inversa de determinado valor (VZ) é rompida a estrutura atômica do díodo e vencida a zona neutra, originando assim a corrente eléctrica inversa. Este efeito verifica-se geralmente para tensões inversas VR < 5 Volt e o seu valor pode ser variado através do grau de dopagem (percentagem de impurezas) do silício ou do germânio. Efeito de avalanche – Para tensões inversas VR >7 Volt, a condução do díodo é explicada exclusivamente pelo efeito de avalanche. Quando se aumenta o valor da tensão inversa, aumenta também a velocidade das cargas elétricas (elétrons). A velocidade atingida pode ser suficiente para libertar elétrons dos átomos semicondutores, através do choque. Estes novos elétrons libertados e acelerados libertam outros, originando uma reação em cadeia, à qual se dá o nome de efeito de avalanche. Para tensões inversas VR, entre 5V e 7V, a condução do díodo é explicada cumulativamente pelos dois efeitos (efeito de zener e efeito de avalanche).

45. Diodo Zener O

47. + _ Utilização Se desejarmos alimentar uma carga qualquer com uma tensão invariável, perfeitamente isenta de qualquer variação ou flutuação, nada mais há do que montar o sistema constituído pelo díodo zener (polarizado inversamente) e a resistência limitadora R, de tal modo que o díodo fique em paralelo com a carga. R – Resistência que tem por função limitar a corrente no zener (IZ). Rc – Resistência de carga (receptor)

48. Polarização O díodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante aos seus terminais (VZ) sendo por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos. Entrada não estabilizada de 15 a 17 Volt Saída estabilizada a 12 Volt

49. O díodo zener como estabilizador de tensão Para que o díodo zener estabilize a tensão nos seus terminais deve-se ter em atenção o seguinte: O díodo zener tem que se encontrar polarizado inversamente (A  e K ). A tensão de alimentação do circuito tem que ser superior à tensão de zener (VZ) do díodo. A carga ou cargas do circuito têm que estar ligadas em paralelo com o díodo zener.

50. 500R I O díodo zener como estabilizador de tensão Para que ocorra o efeito estabilizador de tensão é necessário que o díodo zener trabalhe dentro da zona de ruptura, respeitando-se as especificações da corrente máxima. A corrente que circula pela resistência limitadora é a mesma corrente que circula pelo díodo zener e é dada pela expressão: I = (VE – VZ) / R I = (15 – 10) / 500 I = 10 mA