Slide Introdução diodo Ideal-2022 1

ELETRÔNICA ANALÓGICA Prof. Dr. René Pastor Torrico Bascopé Introdução Fonte de Alimentação de Notebook de 90 W O Diodo Ideal (a) Símbolo; (b) Curva característica O diodo ideal é um semicondutor que apresenta basicamente duas regiões de operação, sendo uma região de polarização direta sobre o eixo vertical, e a outra região de polarização reversa sobre o eixo horizontal. No diodo ideal não há limitação de corrente na polarização direta, e não há limitação de tensão na polarização reversa. Diodo Ideal * O diodo ideal, é um curto-circuito na região de condução. * O diodo ideal, é um circuito aberto na região reversa. Materiais Semicondutores O termo condutor é aplicado a qualquer material que sustenta um grande fluxo de carga ao se aplicar, através de seus terminais, uma fonte de tensão de amplitude limitada Isolante é o material que oferece um nível muito baixo de condutividade quando submetido a uma fonte de tensão Um semicondutor é, portanto, o material que tem um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um semicondutor. Materiais Semicondutores Estrutura atômica, (a) germânio, (b) silício. Ligação covalente no cristal de silício. Materiais Semicondutores Uma ligação de átomos estabelecida pelo compartilhamento de elétrons é chamada de ligação covalente. Materiais intrínsecos são semicondutores cuidadosamente refinados para se obter a redução de impurezas a um nível muito baixo – são basicamente tão puros quanto permite a tecnologia moderna ( 1 parte em 10 bilhões de partes). Um aumento da temperatura de um semicondutor pode resultar em um aumento substancial do número de elétrons livres no material. Considera-se que materiais semicondutores, como o Ge e o Si, que apresentam uma redução da resistência com aumento da temperatura, possuem coeficiente de temperatura negativo. Níveis de Energia Energy Valance Level (outermost shell) Energy gap Second Level (next inner shell) Energy gap Third Level (etc.) etc. Nucleus Valence Level W = QV eV W = QV = (1.6 x 10^-19 C)(1 V) 1 eV = 1.6 x 10^-19 J Energy Conduction band Electrons "free" to establish conduction Valence electrons bound to the atomic structure E_g > 5 eV Valence band Insulator Energy E_g Energy Conduction band E_g = Valence band E_g = 1.1 eV (Si) E_g = 0.67 eV (Ge) E_g = 1.41 eV (GaAs) Semiconductor Energy The bands overlap Conduction band Valence band Conductor Um material semicondutor que tenha sido submetido ao processo de dopagem é chamado de material extrínseco. Há dois materiais extrínsecos de enorme importância para a fabricação de um dispositivo semicondutor: Materiais do tipo n e do tipo p. Materiais Extrínsecos dos Tipos n e p As características de um material semicondutor podem ser alteradas significativamente pela adição de átomos específicos de impureza ao material semicondutor relativamente puro. Materiais Extrínsecos dos Tipos n e p Impureza: 5 elétrons de valência “Pentavalente” (antimônio, arsênio, fósforo) Material do Tipo n As impurezas difundidas com cinco elétrons de valência são chamadas de átomos doadores Materiais Extrínsecos dos Tipos n e p Material do Tipo n Materiais Extrínsecos dos Tipos n e p Material do Tipo p Impureza: 3 elétrons de valência “Trivalente” (boro, gálio, índio) As impurezas difundidas com três elétrons de valência são chamadas de átomos receptores Materiais Extrínsecos dos Tipos n e p Fluxo de Elétrons Versus Fluxo de Lacunas Um elétron de valência adquire energia suficiente para quebrar sua ligação covalente e preencher o vazio criado por uma lacuna. Materiais Extrínsecos dos Tipos n e p Portadores Majoritários e Minoritários Num material do tipo n o elétron é chamado de portador majoritário e as lacunas de portadores minoritários. Num material do tipo p a lacuna é o portador majoritário e o elétron é o portador minoritário. Diodo Semicondutor Sem Polarização (VD=0V) Anodo Anodo Catodo Essa região de íons positivos e negativos descobertos é chamado de região de depleção devido ao “esgotamento” de portadores livres na região Catodo Na ausência da tensão de polarização, o fluxo de corrente em qualquer direção é igual a zero. Diodo Semicondutor Região de Polarização Reversa (VD<0V) Anodo Anodo Catodo A corrente que existe sob polarização reversa, é chamada de corrente de saturação reversa e é representada por Is. Quando é polarizado reversamente o diodo semicondutor, a região de depleção aumenta consideravelmente. Catodo Diodo Semicondutor Região de Polarização Direta (VD>0V) A circulação de corrente sob polarização direta, é dada pelos portadores majoritários (elétrons) fluindo de catodo para anodo. Um diodo semicondutor é polarizado diretamente, quando a polaridade positiva é aplicada Ao terminal anodo e a polaridade negativa ao terminal catodo. Catodo Anodo A tensão de polarização VD esta entorno de 0,7 V. Anodo Catodo Diodo Semicondutor Região de Ruptura (VD<Vz) A tensão de ruptura é destrutiva para o diodo de silício ou germânio comum. Para evitar deve ser proporcionada uma margem de segurança entre 10 e 20%. Há componentes especiais, chamados de diodos zener que trabalham adequadamente nesta região. A tensão de ruptura, apresenta várias denominações, tais como, tensão de zener (Vz), tensão de ruptura (VBV – breakdown voltage) e tensão inversa de pico (PIV) Diodo Semicondutor Equação Shockley do Diodo Is é a corrente de saturação reversa vD é a variável independente n é um fator de idealidade, que é adotado entre 1 e 2. VT é a tensão térmica (aprox. 26 mV) Diodo Semicondutor Curva de Polarização do Diodo O sentido definido da corrente convencional para a região de tensão positiva corresponde a ponta da seta no símbolo do diodo. A corrente de saturação reversa real de um diodo comercialmente disponível costuma ser maior do que aquela que aparece como a corrente de saturação reversa na equação de Shockley. Diodo Semicondutor Regiões de Polarização do Diodo (Resumo) VD>0V Região de polarização direta -VZK<VD<0V Região de polarização reversa VD<-VZK Região de ruptura Curva característica i versus v Diodo Semicondutor Efeito de Temperatura em Diodos (uA) Os diodos de silício ou germânio comum, apresentam coeficiente de temperatura negativo. Implica que, quanto mais quente o diodo é menor a queda de tensão entre seus terminais. Por este fenômeno não é recomendado o paralelismo de diodos. Atualmente, há uma nova tecnologia de diodos, chamados de diodos de CARBONETO DE SILÍCIO SiC (silicon carbide diodes), que apresentam coeficiente de temperatura positivo e são recomendados para paralelismo. . Níveis de Resistência Resistência CC ou Estática Exemplo: Quanto maior a corrente que passa por um diodo, menor é o nível de resistência CC. Níveis de Resistência Resistência CA ou Dinâmica Níveis de Resistência Resistência CA Média Exemplo: A resistência CA média é determinada por uma linha reta traçada entre as duas interseções estabelecidas pelos valores máximo e mínimo da tensão sobre o diodo. Circuitos Equivalentes do Diodo Circuito Equivalente Linear por Partes Um circuito equivalente é uma combinação de elementos adequadamente escolhidos para melhor representar as características reais de um dispositivo em determinada região de operação. Circuitos Equivalentes do Diodo Aplicação do Circuito Equivalente Linear por Partes PD1avg Rthjc Rthcd Rthda Tj Tc Td Ta Variável a ser Encontrada 100oC 40oC PD1avg : (potência média perdida pelo diodo [W]); Nota: o valor deve ser calculado. Rthjc : (resistência térmica junção-cápsula [oC/W]); Nota: o valor é fornecido pelo fabricante do diodo. Rthcd : (resistência térmica cápsula-dissipador [oC/W]); Nota: o valor é fornecido pelo fabricante dos isolantes MICA ou SILICONE. Circuito Térmico Circuitos Equivalentes do Diodo Aplicação do Circuito Equivalente Linear por Partes Rthda : (resistência térmica dissipador-ambiente [oC/W]); Nota: o valor deve ser calculado para procurar um dissipador de alumínio comercial Tj : (temperatura de junção [oC]); Nota: o projetista deve escolher entre 100oC e 120oC Tc : (temperatura de cápsula [oC]); Nota: O valor deve ser calculado Td : (temperatura do dissipador [oC]); Nota: O valor deve ser calculado Ta : (temperatura do meio ambiente [oC]) Nota: o projetista deve escolher entre 25oC a 50oC Circuitos Equivalentes do Diodo Aplicação do Circuito Equivalente Linear por Partes 1 c j D avg thjc T T P R   1 d c D avg thcd T T P R   1 a d D avg Rthda T T P   PD1avg Rthjc Rthcd Rthda Tj Tc Td Ta Variável a ser Encontrada 100oC 40oC Catálogo do diodo Assumir 0,5[oC/W] Circuitos Equivalentes do Diodo Aplicação do Circuito Equivalente Linear por Partes + - io D1 iD1 vo + - vD1 vi( )  vi( )=311sen( )   f=60 Hz =2 f   = t   [rad/s] Ro 10 ohms Vipk       Vipk/Ro 0 vo( ) io( )   iD1( )  Exemplo: Determinar: Escolher o dissipador de calor (Rthda=?) Circuitos Equivalentes do Diodo Circuito Equivalente Simplificado Circuitos Equivalentes do Diodo Circuito Equivalente Ideal Capacitâncias de Transição e Difusão Modelo da Capacitância Intrínseca A capacitância de transição é o efeito capacitivo predominante na região de polarização reversa, enquanto a capacitância de difusão é o efeito capacitivo predominante na região de polarização direta. Tempo de Recuperação Reversa Dependendo do tipo de diodo de silício, o trr varia na faixa de alguns nano-segundos até 1 s. Os diodos do tipo Schottky e carboneto de silício SiC, apresentam corrente de recuperação reversa (Ireverse) reduzida. Portanto, são adequados para operar em alta frequência. Ocorre devido a recombinação de portadores minoritários. Folha de Dados 1. A tensão direta VF (em corrente e temperatura específicas) 2. A corrente direta máxima IF (em corrente e temperatura específicas) 3. A corrente de saturação reversa IR (a uma tensão e temperatura específicas) 4. A tensão reversa nominal [ PIV ou PRV ou V(BR) ou V(ZK)], em que BR vem do termo breakdown (“ruptura”) a uma temperatura especifica. 5. O valor máximo de dissipação de potência a uma temperatura específica. 6. Níveis de capacitância. 7. Tempo de recuperação reversa trr. 8. Faixa de temperatura de operação. 9. Corrente de recuperação reversa Irr. Normalmente, a folha de dados do diodo define os valores máximos absolutos em determinadas condições de operação. A definição pode ser mostrada através de valores numéricos ou através de curvas. Folha de Dados 1N4001 - 1N4007 Features - Low forward voltage drop. - High surge current capability. General Purpose Rectifiers Absolute Maximum Ratings* * Rating at 25°C unless otherwise noted. Symbol Parameter Value Units 4001 4002 4003 4004 4005 4006 4007 V_RRM Peak Repetitive Reverse Voltage 50 100 200 400 600 800 1000 V I(AV) Average Rectified Forward Current .375” Lead Length @ T_L = 75°C 1.0 A I_FSM Non-Repetitive Peak Forward Surge Current 30 A T_stg Storage Temperature Range -55 to +175 °C T_J Operating Junction Temperature -55 to +175 °C Note: Thermal resistance from junction to ambient is very variable. Thermal Characteristics Symbol Parameter Value Units P_D Power Dissipation 30 W R_JA Thermal Resistance, Junction to Ambient 60 °C/W Electrical Characteristics * Rating at 25°C unless otherwise noted. Symbol Parameter Device Value Units 4001 4002 4003 4004 4005 4006 4007 V_F Forward Voltage @ 1.0A 1.1 V I_RM Maximum Full Load Reverse Current, Full Cycle T_J = 25°C 50 µA I_RM Reverse Current at Rated V_R T_J = 100°C 10 µA C_T Total Capacitance V_R = 4.0V, f = 1.0 MHz 15 pF Typical Characteristics Forward Current Derating Curve Forward Characteristics Non-Repetitive Surge Current Reverse Characteristics Folha de Dados Forward Current Derating Curve Forward Characteristics T_J = 25°C Pulse Width = 300µs 2% Duty Cycle 0.93 V N Non-Repetitive Surge Current Reverse Characteristics Notação do Diodo Semicondutor Tipos de Encapsulamentos Teste do Diodo Usando Multímetro Digital Teste do Diodo Diodo Sendo Polarizado R + VBIAS - (a) Small forward-bias voltage (VF < 0.7 V), very small forward current. R + VBIAS - (b) Forward voltage reaches and remains nearly constant at approximately 0.7 V. Forward current continues to increase as the bias voltage is increased. Diodos Zener Símbolo e Curva Característica Sentido de condução: (a) diodo zener; (b) diodo semicondutor. Curva característica Diodos Zener Símbolo e Curva Característica Circuito equivalente do zener: (a) completo; (b) aproximado. Curva característica de teste O diodo zener necessita de uma corrente mínima para operar com a tensão Vz. Diodos Zener Encapsulamentos VISHAY www.vishay.com 1N4728A to 1N4764A Vishay Semiconductors ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Tamb = 25 °C, unless otherwise specified) PART NUMBER ZENER VOLTAGE RANGE (1) Vz at Izt1 V TEST CURRENT IZT1 mA IZT2 mA REVERSE LEAKAGE CURRENT IR at VR µA VR V DYNAMIC RESISTANCE f = 1 kHz Zzt at IZT1 Zzk at IZT2 Ω SURGE CURRENT (2) IR mA REGULATOR CURRENT (2) IZM mA 1N4728A 3.3 76 1 100 1 10 400 1380 276 1N4729A 3.6 69 1 100 1 10 400 1260 252 1N4730A 3.9 64 1 50 1 9 400 1190 234 1N4731A 4.3 58 1 10 1 9 400 1070 217 Diodos Emissores de Luz Princípio do Led Diodos Emissores de Luz Princípio do Led Diodos Emissores de Luz Leds de Sinal e de Potência Diodos Emissores de Luz Aplicações dos Leds Células e Painéis Fotovoltaicos Princípio de Funcionamento Células e Painéis Fotovoltaicos Painéis e Conexão Série/Paralelo Células e Painéis Fotovoltaicos Painéis e Conexão Série/Paralelo Células e Painéis Fotovoltaicos Painéis e Conexão Série/Paralelo Sistema Off-Grid Sistema On-Grid Fim Conteúdo do Programa: Aula 01 Aula 02