1

2019-1 1

Aula 5 – Diodos, Retificação e Reguladores

de Tensão / Fontes de Alimentação

2019-1 2

O Diodo

• O diodo é um componente não linear por natureza

• Símbolo (mais comum)

• Curva característica

2

2019-1 3

História

• Principia de funcionamento de diodos Termiônicos Frederick Guthrie (1873)

• Principio de funcionamento de diodos de cristal Karl Ferdinand Braun (1874)

• Principio termiônico redescoberto por Thomas Edison (1880) patenteado em (1883)

• A Válvula Termiônica – o primeiro diodo (1904)– Sir John Ambrose Fleming

• A professor of electrical engineering invents the thermionic valve

• A two-electrode rectifier. (A rectifier prevents the flow of current from reversing.)

• He discovers that an electric current passing through the vacuum is always unidirectional.

2019-1 4

Semicondutores Dopados

• Intrínseco

• Dopagem tipo-n

• Dopagem tipo-p

3

2019-1 5

Junção

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_2/backbone/r2_2_4.html

2019-1 6

http

://w

ww

.tf.

uni-

kiel

.de/

mat

wis

/am

at/s

emi_

en/k

ap_2

/bac

kbon

e/r2

_2_4

.htm

l

4

2019-1 7

• Diodo de ponto de contato– Um bloco de semicondutor tipo-n (Ge)

– Ponta afiada de material do grupo 3 (Al, Ga, In)

– Ambos são colocados em contato• Metal migra para o semicondutor

• Forma uma região-p próximo ao contato

P

N

2019-1 8

Estrutura de um diodo de Silício

5

2019-1 9

Equação do Diodo

]1)..

.).[exp(

.exp().(. 0 −−=

Tkn

Ve

Tk

ETJAI

BB

g

)..

.exp(]1)

..

.[exp(

Tkn

Ve

Tkn

Ve

BB

≅−

).

.

exp().(. 0Tk

En

Ve

TJAIB

g−

=

2019-1 10

Diferentes tipos de diodos

6

2019-1 11

Diodo de Junção ou Retificador

• Aplicação– Retificação de Sinal Alternado

– Retificação de Sinal de Audio

– Detecção de sinal de radio

• Tipos mais comuns– Retificadores (Silício)

• 1N4001 1N4007 (data sheet) 1A / 50V 1000V (tensão reversa)

– Diodos de sinal (Germânio) • 1N60 (data sheet)

2019-1 12

Diodo Zener

• Similar ao diodo de retificação

– Semicondutor extremamente dopado• Permite tunelamento em tensão reversa

– Apresenta uma tensão de ruptura muito reduzida

– A tensão de ruptura é o parâmetro específico do Zener

• Aplicação– Regulagem de tensão em circuitos eletrônicos

• Parâmetros especificados– Tensão Zener

– Potencia dissipável (Ex.: 1W)

» Corrente Max = P/(Vout-Vz)

• Recorte de sinais

• Data Sheet

ZenerVoltage

7

2019-1 13

Diodo Túnel

• Este componente é uma aplicação imediata da teoria quântica– Emprega o efeito túnel em seu funcionamento

– Leo Esaki recebeu o premio Nobel de Física em 1973

• Curva característica

• Aplicação

2019-1 14

LED (Light Emitting Diode)

• Emite luz de diferentes cores– Mais comuns

• Vermelho

• Verde

• Amarelo

– Mais recentes• Azul

• Ultravioleta

• Branco

• Parâmetros importantes– Tensão de operação

– Corrente de operação (parâmetro mais importante)

• Cálculo do resistor de limitação de corrente– Clique neste link

– (http://www.casemodbr.com/resistor.htm)

Tabela de Cores

8

2019-1 15

Retificação

• Um dos principais usos do diodo é retificar sinal alternado

• Transformar– Tensão alternada ( + ) tensão pulsante ( + ou - )

• Retificação em Meia Onda

2019-1 16

• Retificação em Onda Completa

9

2019-1 17

Filtragem do Sinal Pulsado

• Após transformar o sinal alternado em pulsado– É necessário eliminar a flutuação

– Para isto são usados filtros

Ripple

2019-1 18

Regulagem de Tensão

• Usando zener

• Usando Circuitos Integrados 78XX– Data sheet (clique aqui)

10

2019-1 19

Montagem de uma Fonte de

Alimentação CC – (prática)

2019-1 20

A Fonte

• Diagrama de Blocos

Transformador Retificador Filtro Regulador

VccVca

11

2019-1 21

Cálculo do Transformador

• Regras Simplificadas– É necessário saber a potência consumida pelo circuito

– Pot = Vmax x imax

– Ex.:• Circuito de Saída 12V - 1 A 12W

• Impedância do Circuito de Saida 12V/1A = 12Ω

• Existe uma regra simples que diz que a resistência do secundário do trafo deve ser de no máximo 10% do valor da carga

• Logo Rs <= 1,2 Ω

– Neste caso o nosso transformador deverá ter um secundário de no mínimo• 12 V e 1 A (os transformadores geralmente são especificados assim)

2019-1 22

Cálculo dos Diodos

• Definir se a retificação é– Meia Onda (vai apresentar maior Ripple)

– Onda Completa (apresenta menor Ripple)

• Regras Simplificadas– A corrente direta dos diodos (por segurança)

• Usar 2 x imax da carga

– A tensao reversa nos diodos

• Usar 2 x Vmax do secundário do transformador

12

2019-1 23

O Regulador Zener Simples

• Cálculo dos Parâmetros

Vz

Iz

-vz mínimo

-vz nominal

-vz máximo

-Iz mínimo

-Iz máximo

2019-1 24

O Circuito do Regulador

• Zener operando na região de avalanche Tensão constante

• Equação do nó

• para i = cte– Se iL aumentar iZ diminui

– Se iL diminui iZ aumenta

LZ iii +=

R

RL

DVin

VZ

VR

VL

i

iZ

iL

LZ iii +=

13

2019-1 25

• Tensão de entrada mínima– O circuito não perde as características de regulação

• Tensão de entrada máxima– Vinculada a máxima potência dissipada pelo Zener

– Caso de circuito aberto RL = infinito

ZRin VVV +=minmin

Z

Z

ZV

Pi max

max=

Limitações

( ) ZLZin VIIRV ++=maxminmin

.

ZRin VVV +=maxmax

( ) ZLZin VIIRV ++=minmaxmax

.

2019-1 26

• Para tensao de Entrada máxima

– Para o caso de RL = infinito

• Ex:– Características da Fonte

• VL = 10 V• ILmax = 20 mA• Vin = 15 V + 10%

– Zener• PZmax = 400 mW Izmax = 40 mA• Izmin = 10 mA

• Superou iZmax logo queimaria o zener

( )Zin

Zin

ZLZVV

VViiI

−

−+=

min

max

minmaxmax.

Dimensionamento do Zener

( ) mAIZ 7,55105,13

105,16010,0020,0

max=

−

−+=

14

2019-1 27

• Ex:– Características da Fonte

• VL = 10 V

• ILmax = 20 mA

• Vin = 15 V + 10%

– Trocando o Zener• PZmax = 1,3 W Izmax = 130 mA

• Izmin = 20 mA

• Superou iZmax logo não haveria problema

( ) mAIZ 28,74105,13

105,16020,0020,0

max=

−

−+=

2019-1 28

Cálculo do Filtro (Capacitor)

• Depende da configuração da Retificação– Meia Onda

• Pulsos de Carga de 60 Hz τC = 17 ms

• Tempo de Descarga tem que ser maior que os pulsos de carga

• Do exemplo anterior RL = 12 Ω

CLD CR ττ >>= .

L

C

RC

τ>>

FC µ1417001417,012

017,0==>>

15

2019-1 29

– Onda completa

• Pulsos de Carga de 120 Hz τC = 8,3 ms

• Tempo de Descarga tem que ser maior que os pulsos de carga

• Do exemplo anterior RL = 12 Ω

CLD CR ττ >>= .

L

C

RC

τ>>

FC µ690000694,012

0083,0==>>

2019-1 30

Configuração em Meia Onda

16

2019-1 31

Configuração em Onda completa

2019-1 32

Medida do Ripple

Ripple

17

2019-1 33

FIM