Cap 14 Diodos Especiais

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14-1

CAPIacuteTULO 14

DIODOS ESPECIAIS

THYRISTORES (SCR)

O Thyristor eacute um comutador quase idealeacute retificador e amplificador ao mesmo tempo

Constitui-se um componente de escolha para aeletrocircnica de potecircncia Concebidooriginalmente para substituir a vaacutelvulaldquothyratronrdquo agrave gaacutes o thyristor se impocircsrapidamente em diversos domiacutenios cujos maisimportantes satildeo a comutaccedilatildeo pura e simples avariaccedilatildeo de velocidade dos motores e a variaccedilatildeoda intensidade luminosa

O thyristor permanece normalmente bloqueado ateacute o momento em que se deseja queele se torne condutor

O termo ldquothyristorrdquo designa uma famiacuteliade elementos semicondutores cujascaracteriacutesticas originalmente estatildeo proacuteximas agravesdas antigas vaacutelvulas thyratrons O nomethyristor eacute uma contraccedilatildeo de THYRatron etransISTOR

Os thyristores tambeacutem conhecidos por SCR (Silicon Controlled Rectifier) satildeoelementos unidirecionais a trecircs saiacutedas (anodocaacutetodo e gatilho)

Os TRIACS satildeo chamados ldquothyristorestriodos bidirecionaisrdquo O nome Triac proveacutem dacontraccedilatildeo de ldquoTRIode AC Switchrdquo

Fazem parte ainda da famiacutelia dosthyristores os fotothyristores ou thyristoresfotossensiacuteveis os thyristores bloqueaacuteveis oscomutadores unilateral e bilateral SUS e SBS(Silicon Unilateral Switch e Silicon BilateralSwitch respectivamente) e o diodo Shockleytambeacutem conhecido por diodo thyristor ou diodode quatro camadas

Estrutura e siacutembolo do thyristor

O thyristor eacute um semicondutor de siliacutecioa quatro camadas alternadas

Duas conexotildees principais satildeorealizadas para o anodo e o caacutetodo A conduccedilatildeono sentido direto (corrente de caacutetodo paraanodo) eacute comandada por um eletrodo chamadogatilho (em inglecircs ndash gate) Apoacutes a aplicaccedilatildeo deum sinal de comando no gatilho o thyristor

deixa passar por ele uma corrente unidirecionalisto eacute soacute num sentido A exemplo dos diodos

comuns o sentido eacute repetimos do caacutetodo parao anodo

Figura 14-1 Estrutura e siacutembolo do thyristor

Thyristor sob tensatildeo

O thyristor pode ser comparado comdois diodos montados em oposiccedilatildeo conformemostrado na figura 14-2

Para simplificaccedilatildeo da anaacutelise que sesegue vamos admitir que o caacutetodo estaacute ligado agravemassa e o gatilho estaacute desligado isto eacute no ar

Figura 14-2 Comparaccedilatildeo do thyristor comdiodos

As camadas P1 N2 formam o diodo emoposiccedilatildeo que assegura a natildeo conduccedilatildeo dodispositivo

Se o anodo estaacute positivo os diodos P2 N2 e P1 N1 estatildeo polarizados diretamente poreacutem odiodo P1 N2 bloqueia a conduccedilatildeo Se aocontraacuterio o anodo eacute negativo os diodos P2 N2 e

P1 N1 estatildeo polarizados inversamente Por causada tensatildeo de avalanche de P1 N1 ser baixa a



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limitaccedilatildeo da corrente inversa de fuga eacute feita por P2 N2 Na praacutetica a tensatildeo maacutexima eacute limitada

pela tensatildeo de avalanche dos diodos P2 N2 eP1 N1 Neste caso soacute haveraacute conduccedilatildeo se atensatildeo inversa alcanccedilar a tensatildeo de ruptura dosdiodos o que poderaacute danifica-lo

Thyristor sob tensatildeo direta

O comportamento do thyristor eacute melhor compreendido se fizermos uma analogia comdois transistores PNP e NPN

Veja a figura 14-3

Figura 14-3 Thyristor sob tensatildeo direta

Estes dois transistores satildeo montados demodo que uma realimentaccedilatildeo positiva sejarealizada Suponhamos que a regiatildeo P2 seja

positiva em relaccedilatildeo agrave regiatildeo N1 As junccedilotildees J3 eJ1 ficam polarizadas diretamente e deixam

passar respectivamente os portadores positivose negativos para as regiotildees N2 e P1 Estes apoacutesse espalharem pelas bases de cada um dostransistores alcanccedilam a junccedilatildeo J

2 onde a carga

espacial cria um intenso campoSe α2 eacute o ganho de corrente que daacute a

fraccedilatildeo da corrente de buracos injetados noemissor e que atinge o coletor do PNP e se deoutra parte α1 eacute o ganho de corrente que daacute afraccedilatildeo de corrente de eleacutetrons injetados noemissor e que atinge o coletor do NPN

podemos escrever que

IC2 = IA α2 e IC1 = IA α1

A corrente total de anodo eacuteevidentemente a soma de IC1 e IC2 as quais sesomam agrave corrente de fuga residual (ICX) atraveacutesda junccedilatildeo central A IA seraacute entatildeo

IA = α1 IA + α2 IA + ICX que nos daacute

IA =( )211 α α +minus

Icx

Para a maioria dos transistores de siliacutecioo ganho eacute baixo para as baixas correntes e

cresce muito quando a corrente aumentaPortanto se ICX eacute baixa o denominador daequaccedilatildeo anterior estaacute proacuteximo de 1 (para as

pequenas correntes) e a corrente IA permaneceum pouco superior agrave corrente de fuga

A estrutura PNPN ainda que polarizadadiretamente estaacute bloqueada e oferece umagrande impedacircncia agrave passagem da corrente

Quando por qualquer razatildeo ICX

aumenta a corrente e os ganhos aumentamtambeacutem A soma α1 + α2 tende para 1 e acorrente IA tende para o infinito Em realidadeela toma um valor bem elevado que eacute limitadosomente pelo circuito exterior O thyristor estaacuteentatildeo no estado de conduccedilatildeo dizendo-se entatildeoque ele estaacute desbloqueado

Observaccedilatildeo Este tipo de disparo do thyristor eacutedesaconselhado na maioria dos

casos

Princiacutepio de disparo pelo gatilho

O disparo do thyristor pelo gatilho eacute omais comumente utilizado A explicaccedilatildeo seraacutemais clara se observarmos a figura 14-4

O thyristor estando polarizadodiretamente uma impulsatildeo positiva (IG) decomando seraacute injetada no gatilho O transistor

Q1 recebendo a IG como corrente de base temsua corrente de coletor igual a I middot β1 onde β1 eacute oseu ganho de corrente (montagem emissor



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comum) Esta corrente eacute por sua vez injetadana base do transistor Q2 que produz uma IC2 igual a IG middot β1 middot β2 onde β2 eacute o ganho de correntede Q2 Esta corrente eacute entatildeo reaplicada agrave base deQ1 Duas situaccedilotildees podem ocorrer

Figura 14-4 Disparo pelo gatilho

Se o produto β1 middot β2 for menor que 1 odispositivo natildeo seraacute disparado

Se o produto β1 middot β2 tender agrave unidade (1)o processo de amplificaccedilatildeo iraacute se manifestar e othyristor iraacute conduzir

Desde que o disparo do thyristor

ocorreu a realimentaccedilatildeo dos transistores os fazconduzir agrave saturaccedilatildeo Eles se mantecircm nesteestado mesmo que a impulsatildeo inicial do gatilhodesapareccedila e que o circuito exterior mantenha acorrente IA

Como um thyristor pode ser disparado

Como jaacute vimos o thyristor dispotildee dosseguintes estados bloqueado quando polari-zado diretamente e natildeo tenha sido disparado

bloqueado quando polarizado inversamentecondutor se polarizado diretamente e tenha sidodisparado

Quando o thyristor passa do estadobloqueado para o de condutor eacute porque otransistor de siliacutecio teve um ganho de corrente oqual fez aumentar a corrente de emissor

Consequentemente todos os mecanis-mos capazes de provocar um aumento dacorrente IE satildeo utilizados Os principais satildeo

1- TENSAtildeO ndash Quando a tensatildeocaacutetodo-anodo do thyristor aumenta chega a um

ponto onde a corrente de fuga eacute suficiente para

provocar um crescimento abrupto da IE Estemodo de disparo eacute principalmente empregadocom diodos de quatro camadas (diodos-thyristo-res)

2- AUMENTO DA TENSAtildeO ndash Sabemos que toda junccedilatildeo PN apresenta umacerta capacitacircncia de junccedilatildeo Se aplicarmos umatensatildeo brusca entre anodo e caacutetodo carrega-se

esta capacitacircncia com uma corrente proporcional agrave variaccedilatildeo de tensatildeo e logo queesta tensatildeo seja suficiente o thyristor dispara

3- TEMPERATURA ndash A correnteinversa de fuga em transistor de siliacutecio aumentacom o aumento da temperatura Quando acorrente de fuga for suficiente teremos odisparo do thyristor

4- EFEITO TRANSISTOR ndash Eacute omodo claacutessico de disparar um thyristorinjetando-se portadores suplementares na base

do transistor equivalente ou seja no gatilho dothyristor

5- EFEITO FOTOELEacuteTRICO ndash Provocando-se a criaccedilatildeo de pares eleacutetron-lacuna um foco de luz pode disparar umthyristor Neste caso utiliza-se um fotothyristor que consiste em um tipo de thyristor no qualexiste uma ldquojanelardquo ou seja uma lentetransparente aos raios luminosos

CURVA CARACTERIacuteSTICA DE UMTHYRISTOR

A curva tiacutepica de um thyristor elementounidirecional eacute mostrada na figura 14-5 Elarepresenta a corrente IA em funccedilatildeo da tensatildeoanodo-caacutetodo

Figura 14-5 Curva caracteriacutestica de um thyristor



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VD = Tensatildeo direta em bloqueioVDRM = Valor maacuteximo de tensatildeo direta (em

bloqueio)VDSM = Maacutexima tensatildeo direta natildeo repetitiva (em

bloqueio)VT = Tensatildeo sobre o thyristor desbloqueado (em

conduccedilatildeo)IH = Corrente miacutenima de conduccedilatildeo

VRWM = Tensatildeo maacutexima inversa

Quando a tensatildeo ldquoVrdquo eacute nula a IA tambeacutem seraacute nula A tensatildeo ldquoVrdquo ao crescer nosentido direto seraacute denominada VF (ldquoFrdquo deforward em inglecircs) Eacute necessaacuterio atingir umvalor miacutenimo (VD) para disparar o thyristor

Nesse momento o thyristor torna-se condutor ea queda de tensatildeo entre seus bornes diminuienquanto que a corrente IA aumenta Estacorrente direta seraacute denominada IF

Se polarizarmos inversamente othyristor com a aplicaccedilatildeo de uma tensatildeo VR (ldquoRrdquo de reverse em inglecircs) observa-se oaparecimento de uma pequena corrente de fuga(IR ) ateacute que uma tensatildeo maacutexima inversa que sefor aplicada ao thyristor o destruiraacute

O thyristor eacute portanto condutor somenteno primeiro quadrante Note-se que o disparodireto foi provocado pelo aumento da tensatildeodireta

Se aplicarmos uma corrente de comandono gatilho deslocaremos o ponto VD para aesquerda Ver a figura 14-5

Disparo do thyristor (SCR)

O processo de disparo pode ser considerado separadamente do mecanismo deconduccedilatildeo do anodo

O desempenho do circuito de controledependeraacute poreacutem sob certo aspecto do circuito

do anodoUm SCR nunca dispararaacute se o circuitodo anodo limitar a sua corrente a um valor menor que IH (corrente de manutenccedilatildeo) Comcorrentes de anodo inferiores a IH um SCR comportar-se-aacute como um transistor quando acorrente de disparo for interrompida a correntede anodo cessaraacute

Entre os terminais de disparo e decaacutetodo haacute uma junccedilatildeo PN Esta junccedilatildeocomporta-se como um diodo e suas

caracteriacutesticas satildeo pouco afetadas pela presenccediladas outras duas camadas mesmo quando existe

uma diferenccedila de potencial entre anodo ecaacutetodo

A figura 14-6 mostra uma caracteriacutesticatiacutepica do - diodo gatilho caacutetodo obtida com aaplicaccedilatildeo de uma tensatildeo positiva ao primeiroeleacutetrodo

A curva se aplica para as condiccedilotildeesldquoligadordquo e ldquodesligadordquo do SCR jaacute que a

alteraccedilatildeo de impedacircncia entre ambas eacute pequenaA caracteriacutestica de impedacircncia varia coma temperatura para diferentes SCR do mesmotipo mas sempre dentro dos limitesapresentados nas publicaccedilotildees

Na figura 14-6 podemos ver acaracteriacutestica desse diodo em diferentestemperaturas

Figura 14-6 Variaccedilotildees da caracteriacutestica de impe-dacircncia em temperaturas diferentes

Consideremos um SCR com acaracteriacutestica de impedacircncia conforme a figura14-6 Se uma tensatildeo positiva for aplicada entreo anodo e o caacutetodo e a tensatildeo do disparados for aumentada a corrente deste eleacutetrodo aumentaraacutesegundo a curva da figura 14-6

Em certo ponto da curva haveraacute odisparo e este ponto eacute bastante independente datensatildeo do anodo isto eacute quando a IGF atingir ovalor de disparo o SCR dispararaacute qualquer queseja a tensatildeo positiva do anodo

Evidentemente haacute um valor de potencialmiacutenimo de natildeo disparo

Os valores de corrente e tensatildeo dogatilho em que haacute o disparo variaratildeo de um aoutro SCR do mesmo tipo isto se deve agravevariaccedilatildeo da impedacircncia do gatilho entre os

limites mostrados na figura 14-7 e agrave diferenccedilade sensibilidade entre os SCRrsquos



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Figura 14-7 Limites da variaccedilatildeo da impedacircncia do gatilho

Fora da aacuterea hachurada da figura 14-7 edentro dos limites de R G quaisquer valores decorrente e de tensatildeo dispararatildeo qualquer SCR desse tipo particular Tensotildees e correntes que selocalizem no interior da aacuterea hachuradadispararatildeo alguns mas natildeo todos os diodos daseacuterie

Os limites da aacuterea de disparo eventual

satildeo definidos com referecircncia agraves caracteriacutesticasmostradas na figura 14-7 na sequecircncia a seguir

1- LIMITES DE TENSAtildeO ndash Atensatildeo limite eacute a requerida para disparar o SCRque eacute menos sensiacutevel agrave tensatildeo na mais baixatemperatura de operaccedilatildeo Em temperaturas maisaltas a variaccedilatildeo da tensatildeo requerida natildeo eacute muitogrande e eacute possiacutevel simplificar o diagramaconsiderando a tensatildeo constante e igual agraverequerida na mais baixa temperatura deoperaccedilatildeo

2- LIMITES DE CORRENTE ndash Acorrente limite eacute a requerida para disparar oSCR menos sensiacutevel agrave corrente na mais baixatemperatura de operaccedilatildeo Nas mais altastemperaturas eacute requerida menor corrente e oslimites para ndash40 +25 e +100 graus centiacutegradossatildeo mostrados na figura 14-7

3- LIMITES DE BAIXO NIacuteVEL ndash Estes limites indicam niacuteveis de tensatildeo abaixodos quais nenhum SCR dispararaacute nas tempera-

turas indicadas As caracteriacutesticas discutidas ateacuteagora determinam o limite inferior do niacutevel dedisparo sob todas as condiccedilotildees O limitesuperior eacute determinado por uma combinaccedilatildeo da

potecircncia meacutedia de disparo (pico de disparo) edas maacuteximas correntes e tensotildees diretas dogatilho

4- MEacuteTODOS DE DISPARO DOSCR ndash Um circuito de disparo quando bem

projetado deve disparar o SCR sem exceder aqualquer dos valores maacuteximos de tensatildeo ecorrente do componente

a) Disparo por corrente contiacutenua ndash Quando o valor da tensatildeo entre o gatilho e ocaacutetodo isto eacute VG atingir o valor de disparo oSCR conduziraacute Se a tensatildeo VG for reduzida azero o SCR continuaraacute a conduzir por causa da

baixa impedacircncia de sua estrutura interna



14-6

Figura 14-8 Disparo por corrente contiacutenua

O SCR seraacute bloqueado se a tensatildeo positiva de anodo for reduzida ateacute que acorrente de anodo seja menor que IH

No circuito da figura 14-8 B a carga a

ser alimentada foi colocada no circuito docaacutetodo (a carga estaacute representada por umresistor) Neste caso quando o SCR dispara atensatildeo no caacutetodo se torna mais positiva que atensatildeo no gatilho O diodo D1 eacute entatildeo colocadono circuito de porta (ou gatilho) para evitar asua ruptura

Se a tensatildeo que alimenta o anodo for decorrente alternada o SCR conduziraacute durante asalternacircncias positivas e bloquearaacute sempre que atensatildeo de anodo cair abaixo da tensatildeo de

manutenccedilatildeo

b) Disparo por corrente alternada ndash Se o anodo de um SCR for alimentado comtensatildeo alternada o disparo poderaacute ser efetuadotambeacutem com tensatildeo de CA

Neste caso pode-se obter um melhor controle da energia consumida na carga Ocircuito baacutesico de controle de energia com SCR eacute visto na figura 14-9

Figura 14-9 Disparo por corrente alternada

Podemos observar que a tensatildeo dogatilho (VG) pode sofrer um deslocamento de

fase com relaccedilatildeo agrave fase da tensatildeo no anodoEste deslocamento de fase eacute efetuado pela redeR 1 C1 Devido a este deslocamento de fase acorrente atraveacutes do SCR pode circular duranteum tempo menor do que 180deg do ciclo da tensatildeoaplicada

Atraveacutes do graacutefico da figura 14-10 podemos ver o trabalho do SCR Vemos em EA a alternacircncia positiva da tensatildeo aplicada nocircuito EG eacute a tensatildeo entre gatilho e caacutetodo econforme o valor de R 1 poderaacute estar atrasada de

EA num acircngulo de 0deg a 90degPodemos ver ainda como pode ser

variado o tempo de conduccedilatildeo do SCR pelodeslocamento da fase de EG O controle da faseentre EG e EA no circuito da figura 14-9 eacuteefetuado atraveacutes do potenciocircmetro R 1

Figura 14-10 Trabalho do SCR



14-7

O TRIAC

O triac eacute um dispositivo semicondutor atrecircs eletrodos sendo um de comando (o gatilho)e dois de conduccedilatildeo principal Este dispositivo

pode passar de um estado bloqueado a umregime de conduccedilatildeo nos dois sentidos de

polarizaccedilatildeo e voltar ao estado bloqueado por

inversatildeo da tensatildeo ou pela diminuiccedilatildeo dacorrente abaixo do valor da corrente demanutenccedilatildeo (IH)

Figura 14-11 Curvas e siacutembolo do triac

O triac eacute portanto uma versatildeo bidirecional do thyristor Em sua representaccedilatildeoeleacutetrica podemos compara-lo com associaccedilatildeoanti-paralela de dois thyristores

Estrutura do triac

Para se realizar um triac recorre-se adiversas estruturas de camadas espalhadascomo na figura 14-12

Figura 14-12 Estrutura de um triac

As junccedilotildees N1P1 e N2P2 constituem umThyristor e as junccedilotildees N3P2 e N2P1 constituemo outro As junccedilotildees N4P1 e N2P2 formam othyristor de disparo

O disparo do triac

Se noacutes aplicarmos a tensatildeo V1 ao anodoA1 V2 ao anodo A2 e a tensatildeo VG ao gatilho ese tomarmos V1 como referecircncia de massa (V1 =0) podemos definir quatro quadrantes de

polarizaccedilatildeo Veja na figura 14-13

QUADRANTE V2 VG

I + +II + -III - -IV - +

Figura 14-13 Quadrantes de polarizaccedilatildeo

Disparo no primeiro quadrante (+ +)

O triac dispara como um thyristor normal A zona P1 eacute o gatilho e a junccedilatildeo N1P1 injeta os portadores disparando o thyristor entreP2 e N1 (Ver na figura 14-14)

A corrente de disparo IG miacutenima eacutefunccedilatildeo da reparticcedilatildeo das lacunas entre N1 e P1ou seja do valor da resistecircncia ldquoRrdquo shunt entreo gatilho e A1

Neste quadrante o thyristor se comportacomo um thyristor N1P1 N2P2



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Figura 14-14 Esquema de um triac

Disparo do segundo quadrante (+ -)

A corrente de disparo circula de P1 para N4 e dispara o thyristor N4P1 N2P2 (figura 14-14) Devido agrave geometria a corrente principal de

N4P1N2P2 polariza as bases P1 N2 e o thyristor N1P1 N2P2 conduz Este uacuteltimo tendo umaimpedacircncia mais baixa abre N4P1 N2P2 (por IH)salvo se a corrente de gatilho for mantidaAssim a corrente principal flui como para o

primeiro quadrante entre P2 e N1

Disparo do terceiro quadrante (- -)

Neste caso a situaccedilatildeo eacute um pouco maiscomplexaUsemos como referecircncia o esquemada figura 14-14

O potencial de P1 eacute superior ao de N1 A junccedilatildeo P1 N4 estaacute portanto polarizadadiretamente e injeta seus portadores O thyristor que iremos disparar eacute composto das camadas

N3P2 N2P1 (caacutetodo em N3 e anodo em P1)

Figura 14-15 Disparo do terceiro quadrante

A junccedilatildeo de gatilho efetiva destethyristor eacute o diodo N3P2 e para que ocorra odisparo eacute portanto necessaacuterio que N3P2 injeteseus portadores Uma melhor compreensatildeo seraacute

possiacutevel atraveacutes da figura 14-15

O transistor Q1 eacute formado das camadas N4P1 N2 e T2 das camadas P2 N2P1 O resistor

ldquoRrdquo eacute a impedacircncia entre N3 e P2 Para que othyristor Th2 dispare eacute necessaacuterio que acorrente de emissor de Q2 atravessando R

polarize suficientemente a junccedilatildeo gate-caacutetodode Th2 Temos portanto

IB2 = α1 middot IG

IE2 = β2 IB2 = α1 β1 IG onde

IE2 eacute a corrente de gatilho real de Th2

IG eacute a corrente injetada no gatilho do triac

Nota-se que o transistor Q1 tem suas junccedilotildees emissor-base e coletor-base polari-zadas diretamente estando portanto saturado eα1 eacute um ldquoalfardquo forccedilado Portanto de um modogeral α1 β2 natildeo eacute muito diferente da unidadese bem que os triacs tecircm neste quadrantesensibilidades proacuteximas agraves dos quadrantes

precedentesEm conclusatildeo Th2 eacute disparado por uma

corrente IE2 criada atraveacutes dos transistores Q1 eQ2 por IG

Disparo no quarto quadrante (- +)

O processo de disparo eacute idecircntico ao doterceiro quadrante sendo que a camada N1 faz oque no terceiro quadrante foi feito pela camada

N4 Entretanto a zona de N3P2 N2P1 susceptiacutevel

de disparar eacute fisicamente grande e portanto asensibilidade seraacute reduzida

DIAC

O Diac eacute um elemento simeacutetrico queconsequentemente natildeo possui polaridade Suaetmologia eacute a contraccedilatildeo de ldquo Diode AlternativeCurrent rdquo Sua estrutura eacute muito simples sendo

bastante similar a de um transistor bipolar A

diferenccedila eacute que a concentraccedilatildeo de impurezas eacuteaproximadamente a mesma em ambas as



14-9

junccedilotildees e que natildeo existe nenhum contato nacamada que no transistor constitui a base

As concentraccedilotildees iguais de impurezasresultam em caracteriacutesticas de bloqueio-conduccedilatildeo segundo a figura 14-16

Figura 14-16 Curvas caracteriacutesticas e siacutembolodo Diac

A tensatildeo de retorno eacute geralmente proacutexima de 30 volts Tensotildees mais baixas satildeodifiacuteceis de se obter com uma resistecircncianegativa suficiente enquanto que valores maiselevados reduziriam as possibilidades decontrole

Quando se aplica uma tensatildeo positiva ounegativa sobre os terminais de um Diac se

produz um fluxo muito pequeno de corrente defuga I(BO) ateacute que a tensatildeo chega no ponto deruptura V(BO) Neste momento a junccedilatildeo

polarizada inversamente sofre uma ruptura por avalanche e acima deste ponto a caracteriacutesticaldquotensatildeo x correnterdquo equivale a uma resistecircncia

negativa ou seja a corrente aumenta considera-velmente enquanto a tensatildeo diminui

Os Diacs satildeo muito usados emdispositivos de disparo para controle de fase deTriacs (em controles graduais de luminosidade)controle de velocidade de motores universaiscontrole de calefaccedilatildeo e diversas outrasaplicaccedilotildees similares

FOTOTHYRISTORES

Para disparar um thyristor injeta-se umacorrente na base de um dos transistores que oconstitui o que leva agrave saturaccedilatildeo Pode-se aindadisparaacute-lo criando-se atraveacutes da luz umacorrente em sua base Para isto criamos paresde eleacutetrons-lacunas que seratildeo separados por umcampo eleacutetrico ao niacutevel da junccedilatildeo e que satildeoinjetados na base do transistor considerado sob

a forma de portadores majoritaacuterios criandoassim a corrente de base

Quanto maior for o nuacutemero de eleacutetrons-lacunas criados maior seraacute esta corrente Isto eacuteconseguido escolhendo-se um comprimento deonda oacutetimo proacuteximo de 1 microm e tendo-se umasuperfiacutecie de junccedilatildeo a maior possiacutevel com

polarizaccedilatildeo inversa e exposta aos raiosluminosos

O fotothyristor eacute o uacutenico elemento capazde comutar sob a influecircncia da luz que possuidois estados estaacuteveis Na figura 14-17 vemos aestrutura o siacutembolo e o aspecto de umfotothyristor

Figura 14-17 Estrutura siacutembolo e aspecto de um fotothyristor



14-10

THYRISTOR BLOQUEAacuteVEL

O thyristor bloqueaacutevel pode ser disparado quando lhe aplicamos uma tensatildeo

positiva ao seu eleacutetrodo de comando e seraacuterebloqueado se aplicarmos uma impulsatildeonegativa a este mesmo eleacutetrodo

QUADRAC

A partir dos thyristores triacs e diodosos fabricantes idealizaram dispositivoscompostos visando simplificar os esquemas deaplicaccedilotildees e o uso praacutetico dos elementos

Normalmente utiliza-se um diac paradisparar um triac Pode-se muito bem conceber um elemento composto compreendendo estes

dois componentes Este eacute o quadrac cujoesquema eacute apresentado na figura 14-18

Figura 14-18 Esquema de um quadrac

DIODO SHOCKLEY

O diodo Shockley tambeacutem conhecidocomo diodo thyristor ou diodo de quatrocamadas eacute um dispositivo bipolar PNPNcomparaacutevel em todos os sentidos agrave um thyristor

poreacutem estando disponiacuteveis somente os bornesde anodo e caacutetodo

Quando aplicarmos em seus bornes(entre caacutetodo e anodo) uma tensatildeo crescentemas inferior a um certo niacutevel VS sua resistecircnciaseraacute elevada e somente uma pequena corrente oatravessaraacute

Esta corrente eacute da ordem de algunsmicroampeacuteres Este eacute o seu primeiro estadoestaacutevel pois o diodo estaacute bloqueado

Figura 14-19 Estrutura curva e siacutembolo de um

diodo Shockley

Quando a tensatildeo VS eacute atingida chega-mos na segunda zona na qual o diodo apresentauma regiatildeo negativa Este eacute um estado instaacutevel

A resistecircncia do diodo vai decrescendorapidamente e a partir do ponto IH ela natildeo temmais do que alguns ohms O diodo estaacute

plenamente condutor e assim permaneceenquanto existir a corrente de manutenccedilatildeo cujovalor miacutenimo eacute IH Esta eacute a terceira zona cujo

funcionamento eacute estaacutevel A queda de tensatildeointroduzida pelo dispositivo eacute da ordem de 1V

para os diodos de germacircnio e 13V a 17V paraos de siliacutecio

O rebloqueio efetua-se reduzindo-se acorrente abaixo do valor de IH ou a tensatildeoabaixo de VH

As tensotildees VS satildeo da ordem de 20 a100V enquanto que IH eacute da ordem de 1 a 50mA

DIODO TUacuteNEL

Um diodo tuacutenel eacute um pequenodispositivo formado por uma junccedilatildeo PN quetem uma elevada concentraccedilatildeo de impurezasnos materiais semicondutores P e N Esta altadensidade de impurezas faz tatildeo estreita a regiatildeode depleccedilatildeo da junccedilatildeo (ou regiatildeo de cargaespacial) que as cargas eleacutetricas podem setransferir atraveacutes dela mediante um efeito

mecacircnico-quacircntico denominado ldquoefeito tuacutenelrdquoEste efeito tuacutenel produz uma zona de resistecircncianegativa sobre a curva caracteriacutestica do diodo



14-11

de referecircncia que o habilita para desempenhar as funccedilotildees de amplificaccedilatildeo geraccedilatildeo de pulsos egeraccedilatildeo de energia de RF

Caracteriacutesticas

Na figura 14-20 temos a caracteriacutesticatiacutepica de uma curva tensatildeo-corrente de um

diodo tuacutenel e seu siacutembolo

Figura 14-20 Curva caracteriacutestica de um diodotuacutenel e seu siacutembolo

Os diodos normais quando polarizadosinversamente satildeo percorridos por uma pequenacorrente ateacute que se atinja a tensatildeo de ruptura

Com polarizaccedilatildeo direta a conduccedilatildeocomeccedila aproximadamente com 300 mV Nosdiodos tuacutenel ao contraacuterio uma pequena

polarizaccedilatildeo inversa faz com que os eleacutetrons devalecircncia dos aacutetomos do material semicondutor

proacuteximo agrave junccedilatildeo atravessem a mesma por efeito tuacutenel Assim o diodo tuacutenel eacute altamente

condutor para todas as polarizaccedilotildees inversas Domesmo modo com pequenas polarizaccedilotildeesdiretas os eleacutetrons da regiatildeo N passam por ldquoefeito tuacutenelrdquo atraveacutes da junccedilatildeo agrave regiatildeo do tipoP e a corrente do diodo cresce rapidamente ateacuteum valor de pico (IP)

Com valores intermediaacuterios de polari-zaccedilatildeo o diodo tuacutenel apresenta uma caracteriacutesticade resistecircncia negativa e a corrente cai a umvalor miacutenimo denominado IV (corrente de vale)

Com valores crescentes de polarizaccedilatildeo odiodo tuacutenel apresenta uma caracteriacutesticadioacutedica Devido agrave reduccedilatildeo da corrente com oaumento da polarizaccedilatildeo na regiatildeo de resistecircncianegativa o diodo tuacutenel tem a capacidade deamplificar oscilar e comutar

Ponto de funcionamento

Quando se usa um diodo tuacutenel emcircuitos tais como amplificadores e osciladores

deve-se estabelecer um ponto de funcionamentona regiatildeo de resistecircncia negativa

A linha de carga de CC mostrada emlinha cheia na figura 14-21 deve ter umainclinaccedilatildeo tal que intercepte a regiatildeo deresistecircncia negativa somente em um ponto

A linha de carga de CA pode ser beminclinada com uma soacute interseccedilatildeo (B) como nocaso de um amplificador ou um poucoinclinada com trecircs interseccedilotildees (C D E)como

ocorre em um oscilador

Figura 14-21 Linhas de carga

DIODOS EMISSORES DE LUZ (LED)

Num diodo com polarizaccedilatildeo direta oseleacutetrons livres atravessam a junccedilatildeo e combinam-se com as lacunas Agrave medida que esses eleacutetronscaem de um niacutevel mais alto de energia para ummais baixo eles irradiam energia Nos diodos

comuns essa energia eacute dissipada na forma decalor Mas no diodo emissor de luz (LED) aenergia eacute irradiada na forma de luz

Os LEDs substituiacuteram as lacircmpadas deincandescecircncia em vaacuterias aplicaccedilotildees devido asua baixa tensatildeo vida longa e raacutepidochaveamento liga-desliga

Os diodos comuns satildeo feitos de siliacutecioum material opaco que bloqueia a passagem daluz Os LEDs satildeo diferentes Usando-seelementos como o gaacutelio o arsecircnio e o foacutesforo

um fabricante pode produzir LEDs que irradiamno vermelho verde amarelo azul laranja ouinfravermelho (invisiacutevel)

Os LEDs que produzem radiaccedilatildeo visiacutevelsatildeo uacuteteis em instrumentos calculadoras etc OsLEDs infravermelhos encontram aplicaccedilatildeo emsistemas de alarme contra roubo e outras aacutereasque exijam radiaccedilatildeo invisiacutevel

Tensatildeo e corrente do LED

Os LEDs tecircm uma queda de tensatildeo tiacutepicade 15 a 25 V para correntes entre 10 e 50 mA



14-12

A queda de tensatildeo exata depende dacorrente da cor da toleracircncia do LED A menosque seja feita alguma recomendaccedilatildeo emcontraacuterio use uma queda nominal de 2 Vquando estiver verificando defeitos ouanalisando circuitos com LEDs Se tiver quefazer algum projeto consulte a folha de dados

porque as tensotildees do LED tecircm uma grande

toleracircnciaA figura 14-22(a) mostra o siacutemboloesquemaacutetico de um LED as setas para forasimbolizam a luz irradiada Admitindo umaqueda no LED de 2 V pode-se calcular acorrente do LED do seguinte modo

mV V

I 811680

210=

Ω

minus=

Tipicamente a corrente do LED estaacuteentre 10 e 50 mA porque essa faixa produz luzsuficiente para a maioria das aplicaccedilotildees

O brilho de um LED depende dacorrente Idealmente a melhor forma de secontrolar o brilho eacute vincular o LED a uma fontede corrente A melhor coisa para se obter umafonte de corrente eacute uma grande tensatildeo dealimentaccedilatildeo seguida de uma grande resistecircnciaem seacuterie Neste caso a corrente do LED eacute dada

por

S

LEDS

R

V V I

minus=

Figura 14-22 (a) Um circuito com LED(b) Indicador de sete-segmentos(c) Diagrama esquemaacutetico

Figura 14-23 Fotodiodo

Quanto maior a tensatildeo da fonte menor o

efeito que VLED produz Em outras palavras umalto valor de VS encobre a variaccedilatildeo na tensatildeodo LED

Por exemplo um TIL222 eacute um LEDverde com uma queda miacutenima de 18V e umaqueda maacutexima de 3V para uma corrente deaproximadamente 25 mA

Se ligarmos um TIL222 a uma fonte de20 V e a um resistor de 750 Ω a correntevariaraacute de 227 a 243 mA Isto implica um

brilho que eacute essencialmente o mesmo para todos

os TIL222 Por outro lado suponhamos que nocircuito se utilize uma fonte de 5V e um resistor

de 120 Ω A corrente variaraacute entatildeo cerca de 167a 267 mA isto causaraacute uma variaccedilatildeo sensiacutevelno brilho Portanto para se obter um brilhoaproximadamente constante com LEDsdevemos utilizar tanto uma fonte de tensatildeocomo uma resistecircncia em seacuterie o maior possiacutevel

Indicador de sete-segmentos

A figura 14-22(b) mostra um indicador

de sete-segmentos que conteacutem sete LEDsretangulares (de A a G) Cada LED eacute chamadode um segmento porque ele faz parte do diacutegitoque estaacute sendo exibido A figura 14-22(c) eacute odiagrama esquemaacutetico de um indicador de sete-segmentos satildeo incluiacutedos resistores externos emseacuterie para limitar as correntes a niacuteveis seguros

Aterrando-se um ou mais resistores podemos formar qualquer diacutegito de 0 a 9 Por exemplo aterrando A B e C obtemos o 7Aterrando A B C D e G produzimos um 3

Um indicador de sete-segmentostambeacutem pode exibir as letras maiuacutesculas A C E



14-13

e F mais as letras minuacutesculas b e d Osinstrutores de microprocessadoresfrequumlentemente usam uma exibiccedilatildeo de sete-segmentos para mostrar todos os diacutegitos de 0 a9 mais A b C d E e F

SUMAacuteRIO

1 ndash O thyristor (SCR) eacute um comutador quaseideal Uma de suas vaacuterias funccedilotildees eacute controlar aenergia consumida em vaacuterios tipos de maacutequinas

2 ndash O termo thyristor designa uma famiacutelia deelementos semicondutores cujas caracteriacutesticasestatildeo proacuteximas agraves das antigas vaacutelvulasthyratron

3 ndash O nome thyristor eacute uma contraccedilatildeo deTHYRatron e transISTOR

4 ndash O thyristor baacutesico eacute denominado SCR

(retificador controlado de siliacutecio)5 ndash Dos vaacuterios tipos de thyristores os que sedestacam atualmente satildeo os SCR triacfotothyristor diac diodo Shockley etc

6 ndash O SCR eacute um diodo semicondutor de siliacutecioa quatro camadas alternadas PNPN com trecircsterminais de saiacuteda que satildeo denominados anodocaacutetodo e gatilho

7 ndash Quando o anodo de um SCR eacute positivo emrelaccedilatildeo ao caacutetodo duas junccedilotildees internas ficam

polarizadas diretamente e uma junccedilatildeo fica polarizada inversamente Neste caso o diodo poderaacute conduzir desde que o potencial deanodo seja suficiente para romper a junccedilatildeo com

polarizaccedilatildeo inversa

8 ndash O SCR poderaacute conduzir facilmente seestiver polarizado diretamente e se um potencial

positivo for aplicado ao gatilho

9 ndash Um SCR poderaacute disparar (conduzir) quandoum sinal de comando eacute aplicado ao terminal

gatilho mas o seu bloqueio soacute poderaacute ocorrerdiminuindo-se a corrente de anodo a umdeterminado niacutevel

10 ndash A tensatildeo de disparo de um SCR dependeda tensatildeo VG mas o seu bloqueio natildeo dependedesta tensatildeo

11 ndash Um SCR pode controlar a energiadissipada em uma carga atraveacutes de um sistemaque defasa a tensatildeo VG com relaccedilatildeo a tensatildeo deanodo

12 ndash O triac eacute um dispositivo semicondutor detrecircs terminais sendo um de comando e dois deconduccedilatildeo principal

13 ndash Este dispositivo pode passar de um estado bloqueado a um regime de conduccedilatildeo nos doissentidos de polarizaccedilatildeo

14 ndash O triac poderaacute conduzir nos dois sentidosdesde que comandado mas o seu bloqueio soacute seefetuaraacute pela inserccedilatildeo da tensatildeo de anodo ou

pela diminuiccedilatildeo da corrente abaixo do valor dacorrente de manutenccedilatildeo

15 ndash O triac pode ser disparado por umacorrente negativa ou positiva no gatilho

16 ndash O diac eacute um dispositivo semicondutor dedois terminais que natildeo possui polaridade A suaconduccedilatildeo eacute bidirecional

17 ndash A conduccedilatildeo de um diac eacute por ruptura das

junccedilotildees que o constituem18 ndash Quando conduz o diac apresenta umaregiatildeo de resistecircncia negativa

19 ndash Os diacs satildeo muito usados em sistemas dedisparo para controle de fase de triacs emcontroles de energia

20 ndash Os fotothyristores satildeo SCR cujo disparo eacuteefetuado por um foco luminoso

21 ndash O quadrac eacute um dispositivo semicondutor cuja estrutura eacute constituiacuteda de triacs e diacs

22 ndash O diodo Shockley eacute aparentemente umthyristor SCR com apenas dois terminais

23 ndash O diodo Shockley tem trecircs estados o primeiro eacute o de natildeo conduccedilatildeo o segundo eacute o dedisparar quando apresentar um estado deresistecircncia negativa e o terceiro eacute quando a suaconduccedilatildeo eacute normal e igual a um diodoconvencional

24 ndash O bloqueio de um diodo Shockley eacute atraveacutesda reduccedilatildeo de IH

25 ndash O diodo tuacutenel eacute um pequeno dispositivoformado por uma junccedilatildeo PN com altaconcentraccedilatildeo de impurezas

26 ndash O diodo tuacutenel altamente dopado quando polarizado diretamente apresenta inicialmenteuma regiatildeo de resistecircncia negativa

27 ndash A regiatildeo de resistecircncia negativa eacute devido adiminuiccedilatildeo da corrente com o aumento datensatildeo direta

28 ndash Devido a esta caracteriacutestica o diodo tuacutenel pode ser usado como amplificador ou oscilador



14-2

limitaccedilatildeo da corrente inversa de fuga eacute feita por P2 N2 Na praacutetica a tensatildeo maacutexima eacute limitada

pela tensatildeo de avalanche dos diodos P2 N2 eP1 N1 Neste caso soacute haveraacute conduccedilatildeo se atensatildeo inversa alcanccedilar a tensatildeo de ruptura dosdiodos o que poderaacute danifica-lo

Thyristor sob tensatildeo direta

O comportamento do thyristor eacute melhor compreendido se fizermos uma analogia comdois transistores PNP e NPN

Veja a figura 14-3

Figura 14-3 Thyristor sob tensatildeo direta

Estes dois transistores satildeo montados demodo que uma realimentaccedilatildeo positiva sejarealizada Suponhamos que a regiatildeo P2 seja

positiva em relaccedilatildeo agrave regiatildeo N1 As junccedilotildees J3 eJ1 ficam polarizadas diretamente e deixam

passar respectivamente os portadores positivose negativos para as regiotildees N2 e P1 Estes apoacutesse espalharem pelas bases de cada um dostransistores alcanccedilam a junccedilatildeo J

2 onde a carga

espacial cria um intenso campoSe α2 eacute o ganho de corrente que daacute a

fraccedilatildeo da corrente de buracos injetados noemissor e que atinge o coletor do PNP e se deoutra parte α1 eacute o ganho de corrente que daacute afraccedilatildeo de corrente de eleacutetrons injetados noemissor e que atinge o coletor do NPN

podemos escrever que

IC2 = IA α2 e IC1 = IA α1

A corrente total de anodo eacuteevidentemente a soma de IC1 e IC2 as quais sesomam agrave corrente de fuga residual (ICX) atraveacutesda junccedilatildeo central A IA seraacute entatildeo

IA = α1 IA + α2 IA + ICX que nos daacute

IA =( )211 α α +minus

Icx

Para a maioria dos transistores de siliacutecioo ganho eacute baixo para as baixas correntes e

cresce muito quando a corrente aumentaPortanto se ICX eacute baixa o denominador daequaccedilatildeo anterior estaacute proacuteximo de 1 (para as

pequenas correntes) e a corrente IA permaneceum pouco superior agrave corrente de fuga

A estrutura PNPN ainda que polarizadadiretamente estaacute bloqueada e oferece umagrande impedacircncia agrave passagem da corrente

Quando por qualquer razatildeo ICX

aumenta a corrente e os ganhos aumentamtambeacutem A soma α1 + α2 tende para 1 e acorrente IA tende para o infinito Em realidadeela toma um valor bem elevado que eacute limitadosomente pelo circuito exterior O thyristor estaacuteentatildeo no estado de conduccedilatildeo dizendo-se entatildeoque ele estaacute desbloqueado

Observaccedilatildeo Este tipo de disparo do thyristor eacutedesaconselhado na maioria dos

casos

Princiacutepio de disparo pelo gatilho

O disparo do thyristor pelo gatilho eacute omais comumente utilizado A explicaccedilatildeo seraacutemais clara se observarmos a figura 14-4

O thyristor estando polarizadodiretamente uma impulsatildeo positiva (IG) decomando seraacute injetada no gatilho O transistor

Q1 recebendo a IG como corrente de base temsua corrente de coletor igual a I middot β1 onde β1 eacute oseu ganho de corrente (montagem emissor



14-3


























14-4






























14-5
















14-6


















14-7

O TRIAC







Estrutura do triac




O disparo do triac



QUADRANTE V2 VG

I + +II + -III - -IV - +








14-8
















IB2 = α1 middot IG











DIAC






14-9










FOTOTHYRISTORES









14-10




QUADRAC





DIODO SHOCKLEY






diodo Shockley








DIODO TUacuteNEL





14-11































14-12




mV V

I 811680

210=

Ω

minus=



por

S

LEDS

R

V V I

minus=

















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SUMAacuteRIO




































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O TRIAC







Estrutura do triac




O disparo do triac



QUADRANTE V2 VG

I + +II + -III - -IV - +








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IB2 = α1 middot IG











DIAC






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FOTOTHYRISTORES









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QUADRAC





DIODO SHOCKLEY






diodo Shockley








DIODO TUacuteNEL





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mV V

I 811680

210=

Ω

minus=



por

S

LEDS

R

V V I

minus=

















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SUMAacuteRIO




































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O TRIAC







Estrutura do triac




O disparo do triac



QUADRANTE V2 VG

I + +II + -III - -IV - +








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IB2 = α1 middot IG











DIAC






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FOTOTHYRISTORES









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QUADRAC





DIODO SHOCKLEY






diodo Shockley








DIODO TUacuteNEL





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mV V

I 811680

210=

Ω

minus=



por

S

LEDS

R

V V I

minus=

















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SUMAacuteRIO




































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O TRIAC







Estrutura do triac




O disparo do triac



QUADRANTE V2 VG

I + +II + -III - -IV - +








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IB2 = α1 middot IG











DIAC






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FOTOTHYRISTORES









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QUADRAC





DIODO SHOCKLEY






diodo Shockley








DIODO TUacuteNEL





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mV V

I 811680

210=

Ω

minus=



por

S

LEDS

R

V V I

minus=

















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SUMAacuteRIO




































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O TRIAC







Estrutura do triac




O disparo do triac



QUADRANTE V2 VG

I + +II + -III - -IV - +








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IB2 = α1 middot IG











DIAC






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FOTOTHYRISTORES









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QUADRAC





DIODO SHOCKLEY






diodo Shockley








DIODO TUacuteNEL





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mV V

I 811680

210=

Ω

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por

S

LEDS

R

V V I

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SUMAacuteRIO




































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O TRIAC







Estrutura do triac




O disparo do triac



QUADRANTE V2 VG

I + +II + -III - -IV - +








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IB2 = α1 middot IG











DIAC






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FOTOTHYRISTORES









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QUADRAC





DIODO SHOCKLEY






diodo Shockley








DIODO TUacuteNEL





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mV V

I 811680

210=

Ω

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por

S

LEDS

R

V V I

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SUMAacuteRIO




































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IB2 = α1 middot IG











DIAC






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FOTOTHYRISTORES









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QUADRAC





DIODO SHOCKLEY






diodo Shockley








DIODO TUacuteNEL





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mV V

I 811680

210=

Ω

minus=



por

S

LEDS

R

V V I

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SUMAacuteRIO




































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FOTOTHYRISTORES









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QUADRAC





DIODO SHOCKLEY






diodo Shockley








DIODO TUacuteNEL





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mV V

I 811680

210=

Ω

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por

S

LEDS

R

V V I

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QUADRAC





DIODO SHOCKLEY






diodo Shockley








DIODO TUacuteNEL





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mV V

I 811680

210=

Ω

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LEDS

R

V V I

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I 811680

210=

Ω

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V V I

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mV V

I 811680

210=

Ω

minus=



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S

LEDS

R

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SUMAacuteRIO




































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Documents

Cap 14 Diodos Especiais