Slide Capítulo I Diodos Semicondutores-2022 1

ELETRÔNICA ANALÓGICA Prof. Dr. René Pastor Torrico Bascopé Capítulo I. Diodos Semicondutores Introdução Os diodos são aplicados em: Desenvolvimento de retificadores monofásicos e trifásicos não controlados; Circuitos de proteção de sobretensão de transistores (snubbers); Desenvolvimento de postas lógicas OR e AND; Circuitos multiplicadores de tensão; Grampeadores de tensão em dispositivos; Circuitos de roda livre em motores CC, reles e circuitos indutivos em geral; Etc. Análise por Reta de Carga ( 1) D T v / nV D S i I e = − D D E v i R = + Pontos da Reta: 0 D D v V E i R = = D 0 D i A v E = = Análise por Reta de Carga Exemplo: I_D 10 V 1 kΩ (a) E 10 mA 9 I_ DQ = 9.25 mA Q-point V_ DQ = 0.78 V I_D (mA) 8 7 6 5 4 3 2 1 0.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 V_D (V) V_D = E Load line 0.5 1 2 3 4 5 6 7 8 Q-point I_ DQ = 10 mA V_ DQ = 0.7 V V_D = 0 V E 0.5 1 2 Load line 10 mA 5 4 3 2 1 0 I_D (mA) V_D = E 6 7 8 9 10 Q-point I_ DQ = 10 mA 0 I_ DQ = 0 V_ DQ = 0 V V_D E 0.5 1 2 0.5 I_D (mA) 9 1 2 3 4 5 6 7 8 Q-point 9 0 V Load line 0.5 1 2 3 V_D (mA) Configurações com Diodo em Série E R V_R Si 0.7 V I_D R V_R E I_R V_D = E I_D = 0 A E R V_R Si Si I_R E Configurações com Diodo em Série Exemplo: Configurações com Diodos em Paralelo Exemplo: Configurações com Diodos em Paralelo Exemplo: Portas Lógicas AND/OR (“E/OU”) Porta OR: Tabela da Verdade: Portas Lógicas AND/OR (“E/OU”) Porta AND: Tabela da Verdade: Ceifadores Série: Ceifadores são circuitos que utilizam diodos para “ceifar” uma porção de um sinal de entrada sem distorcer o restante da forma de onda aplicada. Ceifadores Exemplo de Ceifador Série com Fonte de Tensão: Ceifadores Paralelo: v_i V 0 −V v_o 0 −V v_i V 0 −V v_o 0 −V R v_i v_o t t t t Ceifadores Exemplo de Ceifador Paralelo: Nota: Considerando diodo ideal Grampeadores Um grampeador é um circuito constituído de um diodo, um resistor e um capacitor que desloca uma forma de onda para um nível CC diferente, sem alterar a aparência do sinal aplicado. Grampeadores Exemplo de Grampeador: vi f = 1000 Hz 10 0 t1 t2 t3 t4 t -20 T vi 10 0 t1 t2 t3 t4 -20 30 V t C = 1 μF + vi - V 5 V R 100 kΩ vo 35 30 V vo 5 0 t1 t2 t3 t4 t Entradas Senoidais Retificador de Meia Onda sem Filtro Capacitivo Fonte de alimentação em diagrama de blocos. Estágio retificador. Entradas Senoidais Retificador de Meia Onda sem Filtro Capacitivo Entradas Senoidais Retificador de Meia Onda sem Filtro Capacitivo Entradas Senoidais Retificador de Meia Onda sem Filtro Capacitivo Entradas Senoidais Retificador de Meia Onda sem Filtro Capacitivo Exercício: (a) Determinar a tensão média de saída; (b) Tensão inverso pico (PIV). Entradas Senoidais Retificador de Meia Onda sem Filtro Capacitivo Usando Transformador: ● ● ● ● Entradas Senoidais Retificador de Meia Onda com Filtro Capacitivo Entradas Senoidais 0 VCmax VCmin π/2 Ig Ig-Io -Io 0 0 0 θ θ θ θ vC iD1 io iC π 2π 3π 4π 3π/2 5π/2 7π/2 θC VC π/2 π 2π 3π 4π 3π/2 5π/2 7π/2 0 Onda aprox. Onda model. Io Igpk vi C + - vC io D1 iD1 iC vo + - vD1 + Retificador de Meia Onda com Filtro Capacitivo Entradas Senoidais 0 VCmax VCmin π/2 Ig 0 0 θ θ θ vC iD1 vD1 π 2π 3π 4π 3π/2 5π/2 7π/2 θC VC π/2 π 2π 3π 4π 3π/2 5π/2 7π/2 0 Onda aprox. Onda model. Igpk -2Vipk vi C + - vC io D1 iD1 iC vo + - vD1 + Retificador de Meia Onda com Filtro Capacitivo Entradas Senoidais Retificador de Onda Completa sem Filtro Capacitivo Diagrama de blocos do estágio retificador. Circuito do retificador de onda completa. Entradas Senoidais Retificador de Onda Completa sem Filtro Capacitivo Entradas Senoidais Retificador de Onda Completa sem Filtro Capacitivo Transformador com Derivação Central: 0≤t≤T/2 T/2≤t≤T Tensão Inversa Pico: Entradas Senoidais Retificador de Onda Completa sem Filtro Capacitivo Transformador com Dois Enrolamentos: 0≤t≤T/2 T/2≤t≤T Tensão Inversa Pico: Entradas Senoidais Retificador de Onda Completa com Filtro Capacitivo Transitório de Partida: Diagrama de blocos. Entradas Senoidais Retificador de Onda Completa com Filtro Capacitivo 0 VCmax VCmin π/2 Ig Ig-Io -Io 0 0 0 θ θ θ θ vC iD1 io iC π 2π 3π 4π 3π/2 5π/2 7π/2 θC VC π/2 π 2π 3π 4π 3π/2 5π/2 7π/2 0 Onda aprox. Onda model. Io Igpk D3 D1 D2 D4 vi C + - vC io iD1 iC iD3 ivi + vo + - vD1 Entradas Senoidais Retificador de Onda Completa com Filtro Capacitivo D3 D1 D2 D4 vi C + - vC io iD1 iC iD3 ivi + vo + - vD1 0 VCmax VCmin π/2 Ig 0 θ θ vC iD1 π 2π 3π 4π 3π/2 5π/2 7π/2 θC VC Onda aprox. Onda model. Igpk 0 θ vD1 π/2 π 2π 3π 4π 3π/2 5π/2 7π/2 0 -Vipk Entradas Senoidais Exercício: Determinar a capacitância do capacitor filtro para uma ondulação de 10% em relação ao pico de tensão no lado secundário do transformador. Entradas Senoidais Multiplicadores de Tensão: 0≤t≤T/2 T/2≤t≤T Dobrador de Tensão: Entradas Senoidais Multiplicadores de Tensão: 0≤t≤T/2 T/2≤t≤T Dobrador de Tensão: Entradas Senoidais Multiplicadores de Tensão: Retificador com Tensão de Saída Simétrica: Entradas Senoidais Multiplicadores de Tensão: Triplicador de Tensão: Entradas Senoidais Multiplicadores de Tensão: Quadruplicador de Tensão: Fonte Básica a Zener Caso 01: Tensão de Entrada (Vi) Constante e Carga (RL) Variável Nesta aplicação a tensão de entrada é considerada constante. Toda fonte de alimentação deve ser capaz de operar desde vazio ou sem carga (RL=∞), até plena carga (RLmin). Ou seja, em ambos os limites as correntes na carga poderão ser, ILmin=0mA (vazio) e ILmax=(70%)IZmax (plena carga). R i Z V V V = − Aplicado a lei de Kirchhof na malha da esquerda, a tensão sobre o resistor limitador R é igual a: A partir da potência máxima do diodo zener é encontrada a corrente máxima nominal que o diodo zener pode suportar sem queimar: Fonte Básica a Zener Caso 01: Tensão de Entrada (Vi) Constante e Carga (RL) Variável A vazio ou sem carga a corrente que circula pelo resistor limitador R é igual a corrente no diodo zener. Z max Z max Z P I V = Para preservar o diodo zener, o projetista deve assumir os valores mínimo e máximo de de projeto: ( ) 80 Zproj Z max I % I = ( ) 10 Z min Z max I % I = R Zproj I I = Usando a lei de Ohm, o valor do resistor limitador de corrente R é igual a: R R i Z Zproj V R ;ondeV (V V ) = I = − (p/ polarizar) Fonte Básica a Zener Caso 01: Tensão de Entrada (Vi) Constante e Carga (RL) Variável Para polarizar adequadamente o zener, o valor máximo da corrente através do resistor de carga RL é dado por: Agora falta definir em que faixa deve variar os valores do resistor de carga RL. RLmax [ Ω ] = ∞ Assim, a resistência mínima do resistor de carga RL é calculado usando a lei de Ohm: L Lmin L Z Lmax V R ;ondeV V = I = A vazio ou sem carga a resistência máxima do resistor de carga RL é igual a: Lmax R Z min I I I = − Fonte Básica a Zener Caso 01: Tensão de Entrada (Vi) Constante e Carga (RL) Variável iL[mA] vL [V] Vz=VL RLmin R = infinito Lmax ILmax I =0 Lmin Curva de Regulação de Tensão: Fonte Básica a Zener Caso 02: Tensão de Entrada (Vi) Variável e Carga (RL) Variável Z max Z max Z P I V = Para preservar o diodo zener, o projetista deve assumir os seguinte valores mínimo e máximo de projeto : ( ) 80 Zproj Z max I % I = ( ) 10 Z min Z max I % I = Vinom Vimin Vimax vi(t) t A corrente máxima do diodo zener é limitada pela potência e dada por: Nota. Caso contrário, o diodo zener queima ou não polariza adequadamente (não fica como fonte de tensão). Fonte Básica a Zener R min i min Z V V V = − R min i min Z V V V = − Rnom inom Z V V V = − Caso 02: Tensão de Entrada (Vi) Variável e Carga (RL) Variável Para proteger o diodo zener quando o circuito opera a vazio, o resistor limitador de corrente R deve ser projetado para a tensão de entrada máxima Vimax. Assim, Rmax Rmax V R I = Vinom Vimin Vimax vi(t) t Neste caso, há três possibilidades para encontrar a resistência do resistor limitaador de corrente R: R max i max Z V V V = − R max Zproj I I = (O resistor R deve ser mantido fixo para toda a faixa de variação da tensão de entrada, ou seja, usar um único resistor.) Fonte Básica a Zener 0 8 0 1 i max R max L V ZMAX R max V I ( , , )I = V − R min i min Z V V V = − 0 8 0 1 inom Rnom L V ZMAX R max V I ( , , )I = V − Caso 02: Tensão de Entrada (Vi) Variável e Carga (RL) Variável Vinom Vimin Vimax vi(t) t Para os três valores de tensão de entrada, considerando fixo o resistor limitador R, as correntes de carga IL máximas são: 0 8 0 1 i min R min L V ZMAX R max V I ( , , )I = V − RLmax [ Ω ] = ∞ A vazio ou sem carga a resistência máxima do resistor de carga RL é igual a: Fonte Básica a Zener i min i min Z Lmin V L V V R I = R min i min Z V V V = − inom inom Z Lmin V L V V R I = Caso 02: Tensão de Entrada (Vi) Variável e Carga (RL) Variável Vinom Vimin Vimax vi(t) t Para os três valores de tensão de entrada, considerando fixo o resistor limitador R, as resistências de carga RL mínima são: Neste caso há três curvas de regulação que são mostrados a seguir: i max i max Z L min V L V V R I = Fonte Básica a Zener Caso 02: Tensão de Entrada (Vi) Variável e Carga (RL) Variável i [mA] vL [V] Vz=VL RLmin R =infinito Lmax ILmax I =0 Lmin L Vinom Vinom RLmin ILmax Vimax Vimax RLmin ILmax Vimin Vimin A fonte funciona adequadamente para as três tensões de entrada nessa área somente. Curva de Regulação de Tensão: Fim Conteúdo do Programa: Aula 03 Aula 04 Aula 05 Aula 06