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O diodo ideal

O diodo ideal. Diodos: elemento de circuito não-linear mais simples e fundamental. Característica i-v. símbolo. (c) Circuito equivalente na polarização reversa; (d) Circuito equivalente na polarização direta. Modelo equivalente: polarização direta e reversa. Característica i-v: não-linear

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Presentation Transcript

  1. O diodo ideal Diodos: elemento de circuito não-linear mais simples e fundamental. Característica i-v símbolo (c) Circuito equivalente na polarização reversa; (d) Circuito equivalente na polarização direta

  2. Modelo equivalente: polarização direta e reversa Característica i-v: não-linear Característica i-v ideal: não-linear, mas linear por partes. Terminal positivo: anodo Terminal negativo: catodo. Os dois modos de operação de diodos ideais e o uso de um circuito externo para limitar a corrente direta e a tensão reversa.

  3. Uma aplicação simples: o retificador Retificador: pode ser utilizado para gerar um sinal cc a partir de um sinal ca. (a) Circuito retificador (b) Valor médio (ou componente cc) nulo. (c) Circuito equivalente quando vI 0. (e) Valor médio (ou componente cc) finito não-nulo. (d) Circuito equivalente quando vI 0.

  4. Exercícios Exercício 3.1: Determine a curva característica de transferência vo vi do circuito da figura anterior item (a). Exercício 3.2: Determine a forma de onda de vD. Exemplo 3.1: A figura abaixo mostra um circuito para o carregamento de uma bateria de 12V. Se vs é um sinal senoidal com 24 V de amplitude máxima, determine a fração de cada ciclo em que o diodo está conduzindo. A seguir, determine o valor de pico da corrente do diodo e a tensão reversa máxima que surge nos terminais do diodo.

  5. Exemplo 3.1

  6. Exemplo de aplicação: Portas lógicas com diodo Diodos e resistores podem ser utilizados para implementar funções lógicas. Considere um exemplo em lógica positiva:  0V  0 lógico;  5V  1 lógico. Entradas: vA, vB e vc. Que função lógica é realizada por cada circuito?

  7. Exemplo: Diodos ideais Assumindo que os diodos são ideais, encontre os valores de I e V nos circuitos da figura abaixo.

  8. Exemplo: Diodos ideais (2) Procedimento a ser adotado: (1) assumir um comportamento plausível; (2) proceder com a análise; (3) checar se a solução obtida é plausível. 1a suposição: D1 e D2 estão conduzindo  • VB = 0 e V = 0 • ID2 = (10 – 0) / 10 k= 1 mA • Equação do nó: • B: I + 1 mA = (0 – (-10) ) / 5 k • I = 1 mA • D1 está conduzindo, conforme assumido originalmente, e o resultado final é: • I = 1 mA e V = 0V.

  9. Exemplo: Diodos ideais (3) Vamos adotar o mesmo procedimento.  1a suposição: D1 e D2 estão conduzindo  VB = 0 e V = 0 • ID2 = (10 – 0) / 5 k= 2 mA • Equação do nó B: I + 2 mA = (0 – (– 10) ) / 10 kI = – 1 mA. • Como isto não é possível (por que?), nossa suposição inicial está incorreta. • Nova suposição: D1 está cortado e D2 está conduzindo. • ID2 = (10 – (– 10)) / 15 = 1,33 mA • Tensão no nó B: VB = – 10 + 101,33 = +3,3V  D1 está reversamente polarizado, conforme assumido, e o resultado final é I = 0A e V = 3,3V.

  10. Exercício 3.4 Determine os valores de I e V nos circuitos a seguir.

  11. Características terminais de diodos de junção – característica i  v

  12. Características terminais de diodos de junção – característica i  v (2)

  13. Características terminais de diodos de junção – característica i  v (3) • 3 regiões distintas: • A região de polarização direta (v > 0) • A região de polarização reversa (v < 0) • A região de avalanche (breakdown) (v < - VZK) 1- A região de polarização direta: tensão terminal v é positiva. • Nesta região, a relação i  vpode ser aproximada por:

  14. Região de polarização direta • IS : corrente de saturação reversa (ou corrente de escala:corrente diretamente proporcional à seção transversal da área do diodo). • Para diodos de pequenos sinais (aplicações de baixa potência): IS  10 – 15 A • IS : varia fortemente em função da temperatura. • (IS dobra de valor a cada aumento de 5oC na temperatura, aproximadamente). • VT: tensão térmica (constante): k: constante de Boltzmann = 1,3810-23 J/K T: temperatura absoluta em Kelvin = 273 + temperatura em oC q: magnitude da carga do elétron = 1,6010-19 C

  15. Região de polarização direta (2) • À temperatura ambiente (20oC), VT= 25,2 mV. • Para análises aproximadas rápidas, vamos utilizar VT 25 mV à temperatura ambiente (em 25oC, VT 25,8 mV) • n (constante): para um diodo, 1  n  2. Em geral, vamos assumir n = 1 (em CIs; n = 2 em componentes discretos) • i >> IS :

  16. Região de polarização direta (3) • Considere a relação i  vna equação anterior: • corrente I1 correspondendo a uma tensão no diodo V1: • corrente I2 correspondendo a uma tensão no diodo V2:

  17. Região de polarização direta (4) • Para uma mudança de uma década (um fator de 10) na corrente, a queda de tensão no diodo varia de um fator de 2,3nVT • n = 1   60mV ; n = 2   120mV (curva característica: gráfico semilog: v (linear)  i (log)  linha reta com inclinação de 2,3nVT por década de corrente). • Sem o conhecimento de n: inclinação de  0,1V/dec costuma ser utilizada.

  18. Região de polarização direta (5) • Da curva característica i  v: corrente muito pequena para tensões menores do que  0,5V  tensão de joelho do diodo (conseqüência da relação exponencial entre i ev). • Diodo diretamente polarizado em “condução total”: queda de tensão entre 0,6 e 0,8 V, aproximadamente  custuma-se utilizar 0,7V em modelos de diodos (de silício). • Diodos com diferentes correntes nominais de operação (ou seja, com áreas diferentes e, conseqüentemente, IS diferentes), exibirá esta queda de 0,7V em diferentes correntes. • Diodos de pequenos sinais: 0,7V em i = 1mA • Diodos de alta potência: 0,7V em i = 1A.

  19. n = 1: • n = 2: Exemplo 3.3 Um diodo de silício de 1mA possui uma queda de tensão direta de 0,7V na corrente de 1mA. (a) Avalie a constante de escala de junção IS no caso de se ter n = 1 ou n = 2. (b) A seguir, determine que constantes de escala seriam aplicáveis para um diodo de 1A do mesmo fabricante que conduz 1A com 0,7V. (a) Para o diodo de 1mA: (b) Diodo conduzindo 1A com 0,7V: corresponde a 1000 diodos de 1mA em paralelo, com uma área de junção 1000 vezes maior  IS é 1000 vezes maior, 1pA e 1mA para n = 1 e n = 2, respectivamente.  O valor de n é importante!

  20. A característica i-v e a temperatura • IS e VT são funções da temperatura  a característica i-v direta varia com a temperatura.  Para uma corrente constante no diodo  a queda de tensão em seus terminais decresce de aproximadamente 2mV para cada aumento de 1oC na temperatura.

  21. A região de polarização reversa • Polarização reversa: v < 0  Se v < 0 e maior do que VT o termo exponencial da expressão da corrente no diodo torna-se desprezível comparado à unidade  i  – IS: a corrente de polarização reversa é constante e igual a IS corrente de saturação reversa. • Em diodos reais: a corrente de saturação reversa >IS. • A corrente de saturação reversa aumenta um pouco com o aumento da tensão de polarização reversa. • Corrente de saturação reversa: proporcional à área da junção (assim como IS). • Dependência com a temperatura: a corrente de satuação reversa dobra para cada aumento de 10oC na temperatura, aproxim. (ISdobra para cada aumento de 5oC na temperatura).

  22. Exercício 3.9 O diodo no circuito da figura abaixo é um dispositivo grande e de elevada corrente cuja corrente de polarização reversa é razoavelmente independente da tensão aplicada. Se V = 1V a 20oC, determine o valor de V a 40oC e a 0oC. Resposta: 4V; 0,25V.

  23. A região de avalance (breakdown) O diodo entra nesta região de condução quando a magnitude da tensão reversa ultrapassa um valor limite específico para o diodo em particular: tensão de avalanche (tensão de “joelho” na polarização reversa): VZK Nesta região, a corrente reversa aumenta rapidamente, sem que haja um aumento significativo da tensão associada. A operação nesta região não é necessariamente destrutiva, contanto que a potência dissipada no diodo seja limitada por um circuito externo a um nível seguro (especificado no datasheet do fabricante). Tensão reversa praticamente constante: EFEITO ZENER

  24. Operação física de diodos – Semicondutores http://www.comp.ufla.br/~giacomin/Com145/Diodo_semicond.pdf • As propriedades elétricas dos semicondutores são afetados por variação de temperatura, exposição a luz e acréscimos de impurezas. • Silício e germânio: estrutura monocristalina; na indústria eletrônica: elevado grau de pureza – uma parte para dez bilhões (1:1010).

  25. Semicondutores – Estrutura cristalina http://www.comp.ufla.br/~giacomin/Com145/Diodo_semicond.pdf http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_2.htm Silício e germânio: monocristais – estrutura diamante (ligações covalentes)

  26. Estrutura cristalina do silícioFONTE: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/sili2.html • Posicionamento de átomos de silício em uma célula unitária – padrão diamante. • Cristal semicondutor com ligações covalentes.

  27. Semicondutores – Níveis ou bandas de energia http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/sili.html#c3 Silício e germânio: 4 elétrons de valência – modelo atômico de Bohr:

  28. Semicondutores – Níveis ou bandas de energia (2) http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_3.htm Bandas de energia da estrutura diamante  constante do reticulado cristalino:

  29. Bandas de energia do (a) germânio, (b) silício e (c) arseneto de gálio.

  30. Energia do elétron livre (fora do cristal) c: afinidade eletrônica q: carga do elétron Energia da banda de condução (mínima) Energia do “gap” Energia da banda de valência (máxima) Semicondutores – Diagrama de bandas simplificado http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_3.htm

  31. Leituras adicionais http://www.comp.ufla.br/~giacomin/Com145/Diodo_semicond.pdf - Introdução ao estudo dos materiais semicondutores. http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_1.htm - Chapter 2: Semiconductor fundamentals. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/intrin.html – Semicondutor intrínseco (siga os demais links a respeito de semicondutores nesta página) http://www.play-hookey.com/semiconductors/basic_structure.html - Basic semiconductor crystal structure

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