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Diodos
2
O Díodo Ideal
Um díodo consiste num dispositivo capaz de permitir a passagem de corrente num sentido e impedir no sentido oposto.
Vd
Id
+ -
corrente
ânodo
Id
Vd
aberto circuito - 0
fechado circuito - 0
d
d
V
V
Símbolo do díodo
Característica do díodo
cátodo
3
Modelo simplificado
Devido ao carácter exponencial da característica do Diodo Vd pode ser bem aproximado por 0.7V para um grande gama de valores de correntes.
A resistência rd assume normalmente valores reduzidos.
Id
Vd
0,7V
dr/1
Vv 7.0D Dr
4
A Junção p-n
Junção p-n É uma aproximação do diodo real. Constituída pela junção de dois materiais
semicondutores, tipo-p e tipo-n.
p n
Semicondutor tipo-p
Semicondutor tipo-n
5
Os semicondutores tipo p e n consistem num substrato (silíciopuro, p.ex.) ao qual foram adicionadas impurezas tipo P (elementos com 3 elétrons na última órbita) ou tipo N (elementos com 5 elétrons na última órbita)
O díodo de junção pn consiste na junção de dois materiais, um semicondutor tipo p em contacto com um semicondutor tipo n
6
7
Elétrons de valência
8
Semicondutores – tipo n e tipo p
Átomos pentavalentes, como o Fósforo, o Arsénio, o Antimónio, etc., constituem impurezas doadoras do tipo n visto que deixam disponível o 5º elétron de valência que facilmente se torna um elétron livre.
Ao contrário, átomos trivalentes, como o Boro, o Gálium, o Índio,
etc., constituem impurezas aceitadoras do tipo p visto que
deixam um lugar vago para um elétron de valência; designa-se por
buraco ou lacuna
9
10
A junção p-n em equilíbrio termodinâmico A junção dos dois semicondutores produz uma corrente de
difusão de elétrons livres e de lacunas de tal forma que se forma uma barreira de potencial.
p n---
+++
+ -
VE
Diferença de potencial, V < 0
Campo eléctrico (E)
Potencial (V)
0x
Região de depleção
2ln
i
DATO n
NNVV
OV
NAND
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Região de depleção Devido à recombinação entre elétrons e livres e
lacunas existe uma região em que a concentração destes está bastante abaixo do restante:
Região de depleção ou região de transição
p n---
+++
+ -
VE
Região de depleção
12
Junção polarizada diretamente Polarização direta
p n---
+++
+-
+ -
Provoca o estreitamento da região de depleção e a diminuição da barreira de potencial.
Facilita a passagem da corrente.
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Junção polarizada inversamente Polarização inversa
p n---
+++
- +
- +
Provoca o alargamento da região de depleção e o aumento da barreira de potencial, até bloquear a passagem da corrente.
Funciona como um capacitor cuja carga é armazenada na região de depleção.
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Díodo polarização
+
_
AK
VCC
Quando o díodo retificador está polarizado inversamente
(Ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) não
conduz (está ao corte).
VCC
+
_
A K
O díodo retificador é um componente unidireccional ou seja, só conduz num sentido (quando o Ânodo está a um potencial positivo em relação ao Cátodo). Nessa situação diz-se que o díodo está polarizado diretamente.
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Leitura das características técnicas
Exemplo:
Díodo retificador 1N4007
VR = 1000V Tensão inversa máxima que se pode aplicar ao díodo em polarização inversa.
IF = 1A Corrente direta máxima permanente que pode circular pelo díodo.
IR = 5A Corrente inversa que percorre o díodo quando polarizado inversamente
VF = 1,1V Queda de tensão interna máxima quando o díodo polarizado diretamente conduz uma
corrente direta de 1A.
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Reta de carga
VCC
+
_
+ _
+
_
RC
VF IF
Consideremos o circuito:
- VCC + VF + RC.IF = 0
VF + RC.IF = VCC
Encontra-se uma equação que relaciona VF e IF:
VCC = VF + RC.IF
Esta equação permite determinar os dois pontos da reta de carga, que sobreposta à curva característica do díodo, determinará o ponto de
funcionamento (Q) do díodo.
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Reta de cargaEste é um método gráfico que permite que encontremos o ponto de funcionamento do díodo. Nota que a reta de carga depende do circuito (VCC e RC) em que o díodo está inserido, enquanto que a curva característica é fornecida pelo fabricante.
VCC = VF + RC.IF
Tensão de corte
IF=0 VCC=VF
Corrente de saturação
VF=0 IF=VCC / RC
IF
Reta de carga
Tensão de corte
Corrente de saturação
Ponto de funcionamento (Quiescente)IFQ
VFQ
VF
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Exemplo da determinação do ponto de funcionamento (Q) de um díodo
VCC=3V
+
_RC=750
IFVCC = VF + RC.IF
Tensão de corte
IF=0 VCC=VF VF=3 V
Corrente de saturação
VF=0 IF=VCC / RC IF=3 / 750
IF= 4 mA
1 2 3
1
2
3
4
5
mA
Q2,5
1,1
Para as condições do circuito (VCC=3Volt e RC=750) e a curva característica representada, a corrente direta no díodo será de IFQ≈ 2,5mA e a tensão direta será de VFQ=1,1V.
Aplicações de díodos
1. Retificadores
2. Ceifadores ou Limitadores e Grampeadores
3. Diodo Zener
1a.Retificador de ½ Onda
D
D
D
D
O
O
O
1.b Retificadores ½ onda e onda completa
O
Retificador de onda completa
22
Retificador de onda completa
23
Retificador de onda completa
24
Retificador de onda completa – Tensão média
25
Retificador de onda completa – Tensão média para díodos reais
26
Retificador de onda completa – Tensão reversa máxima
27
Retificador de onda completa com center tap
28
29
Retificador de onda completa com center tap
30
Ponte retificadora comercial
31
Ponte retificadora de média potência.
Ponte retificadora de potência
O orifício é para facilitar a instalação de dissipadores de calor
Terminais da ponte retificadora
Ponte retificadora
vista por dentro
E ES S
Para obter corrente contínua é necessário filtrar (através de bobinas e/ou capacitores) a corrente contínua pulsante obtida na saída da ponte retificadora (S-S)
Sinal na entrada (E) da ponte: Sinal na saída (S)
da ponte:
1.c Conversor AC/DC
32
2.a Limitadores ou Ceifadores
33
Limitadores ou Ceifadores
34
Limitadores ou Ceifadores
35
Limitadores ou Ceifadores
36
Limitadores ou Ceifadores
37
Grampeadores
38
39
Região de polarização Inversa
Se a tensão inversa aplicada a um díodo for muito forte, o díodo passa a conduzir, apresentando 2 efeitos:
Efeito de Zener O campo eléctrico é suficientemente forte para gerar pares
elétrons-lacuna na região de depleção. Resulta em díodos que operam com esta região bem definida.
Efeito de Avalanche A energia cinética dos portadores minoritários sobe a
influência do campo elétrico é suficiente elevada para quebrar as ligações covalentes.
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3. Díodo Zener- Constituição
Um díodo zener é constituído por uma junção PN de material semicondutor (silício ou germânio) e por dois terminais, o Ânodo (A) e o Cátodo (K).
Símbolo:
41
Identificação visual dos terminais
O terminal que se encontra mais próximo do anel é o cátodo (K).
KK
K
A
AA
Tensão de zener (VZ= 27 V)
Tensão de zener (VZ= 8,2 V)
42
43
Princípio de funcionamento
Díodo retificador se comportava quase como isolador quando a polarização era inversa.
O mesmo se passa com o díodo zener até um determinado valor da tensão (VZ), a partir do qual ele começa a conduzir fortemente.
Qual será então o fato que justifica esta transformação de isolador em condutor?
teoria do efeito de zener e o efeito de avalanche.
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Principio de funcionamentoEfeito de zener – ao aplicar ao díodo uma tensão inversa de determinado valor (VZ) é rompida a estrutura atômica do díodo e vencida a zona neutra, originando
assim a corrente eléctrica inversa. Este efeito verifica-se geralmente para tensões inversas VR < 5 Volt e o seu valor pode ser variado através do grau de dopagem
(percentagem de impurezas) do silício ou do germânio.
Efeito de avalanche – Para tensões inversas VR >7 Volt, a condução do díodo é explicada exclusivamente pelo efeito de avalanche. Quando se aumenta o valor da
tensão inversa, aumenta também a velocidade das cargas elétricas (elétrons). A velocidade atingida pode ser suficiente para libertar elétrons dos átomos
semicondutores, através do choque. Estes novos elétrons libertados e acelerados libertam outros, originando uma reação em cadeia, à qual se dá o nome de efeito
de avalanche.
Para tensões inversas VR, entre 5V e 7V, a condução do díodo é explicada cumulativamente pelos dois efeitos (efeito de zener e efeito de avalanche).
Diodo Zener
45
O
46
47
Utilização
Se desejarmos alimentar uma carga qualquer com uma tensão invariável, perfeitamente isenta de qualquer variação ou flutuação, nada mais há do que montar o sistema constituído pelo díodo zener (polarizado inversamente) e a resistência limitadora R, de tal modo que o díodo fique em paralelo com a carga.
R – Resistência que tem por função limitar a
corrente no zener (IZ).
Rc – Resistência de carga (receptor)
+
_
48
Polarização
O díodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante
aos seus terminais (VZ) sendo por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos.
Saída estabilizada
a 12 Volt
Entrada não estabilizada de
15 a 17 Volt
49
O díodo zener como estabilizador de tensãoPara que o díodo zener estabilize a tensão nos seus terminais deve-se ter em atenção o seguinte:
O díodo zener tem que se encontrar polarizado inversamente (A e K ).A tensão de alimentação do circuito tem que ser superior à tensão de zener (VZ) do díodo.A carga ou cargas do circuito têm que estar ligadas em paralelo com o díodo zener.
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O díodo zener como estabilizador de tensão
A corrente que circula pela resistência limitadora é a mesma corrente que circula pelo díodo zener e é dada pela expressão:
I = (VE – VZ) / R
I = (15 – 10) / 500
I = 10 mA
Para que ocorra o efeito estabilizador de tensão é necessário que o díodo zener trabalhe dentro da zona de ruptura, respeitando-se as
especificações da corrente máxima.
500R
I
51
Curva característicaOs díodos zener são
definidos pela sua tensão de zener (VZ) mas para que
possa existir regulação/estabilização de tensão aos seus terminais a corrente que circula pelo
díodo zener (IZ) deve manter-se entre os valores de corrente zener definidos
como máximo e mínimo, pois se é menor que o
valor mínimo, não permite a regulação da tensão e,
se é maior, pode romper a junção PN por excesso de
corrente.
ZONA DE TRABALHO
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Curva característicaO gráfico de funcionamento do zener
mostra-nos que, directamente polarizado (1º quadrante), ele conduz
por volta de 0,7V, como um díodo comum.
Porém, na ruptura (3º quadrante), o díodo zener apresenta um joelho
muito pronunciado, seguido de um aumento de corrente praticamente vertical. A tensão é praticamente
constante, aproximadamente igual a Vz em quase toda a região de
ruptura.
As folhas de dados (data sheet) geralmente especificam o valor de Vz para uma determinada corrente
zener de teste Izt.
ZONA DE TRABALHO
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Curva característicaQuando um díodo zener está a trabalhar na zona de ruptura, um aumento na corrente produz um ligeiro aumento na tensão.
Isto significa que o díodo zener tem uma pequena resistência
que também é denominada
impedância zener (ZZ).ZONA DE RUPTURA
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Características técnicas
Variando-se o nível de dopagem dos díodos de silício, o fabricante pode produzir díodos zener com diferentes tensões de zener.
A utilização do díodo zener é limitada pelos seguintes parâmetros:
Vz – Tensão de zener (este valor é geralmente especificado para uma determinada corrente de teste IZT)
Izmáx – Corrente de zener máxima
Izmin – Corrente de zener mínima
Pz – Potência de dissipação (PZ = VZ x IZ)
Desde que a potência não seja ultrapassada, o díodo zener pode trabalhar dentro da zona de ruptura sem ser destruído.
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Díodo zener ideal
Na primeira aproximação, podemos considerar a região de ruptura como uma linha vertical. Isto quer dizer que a tensão
de saída (VZ) será sempre constante, embora haja uma grande variação de corrente, o que equivale a ignorar a
resistência zener.
Isto significa que num circuito o díodo zener pode ser substituído por uma fonte de tensão com resistência interna nula.
V
I
56
Díodo zener real
Na segunda aproximação deve ser levada em consideração a resistência zener (RZ)
em série com uma bateria ideal. Isto significa que quanto maior for a corrente, esta resistência produzirá uma queda de
tensão maior.
Isto quer dizer que na região de ruptura a linha é ligeiramente inclinada, isto é, ao variar a corrente haverá uma variação, embora muito pequena, da tensão de
saída (VZ). Essa variação da tensão de saída será tanto menor quanto menor for
a resistência de zener.
V
I
Zener x diodo comum
57
Limitadores ou Ceifadores com zener
58
Limitadores ou Ceifadores com zener
59
60
Díodos especiais Schottky-barrier díodo
Metal semicondutor tipo n Para dopagem elevada não se produz díodo (contatos ohmicos) Vd de 0.3 a 0.5V Muito utilizado em circuitos de Arseneto de Gálio (As-Ga)
Varactors Capacitores variáveis por tensão (sistema de modulação FM)
Photodiodes Díodo polarizado inversamente Fótons incidentes na região de depleção geram pares elétrons-
lacunas que transportam corrente (sensores de luminancia) Polarização direta corresponde às células solares
LEDs A recombinação de pares elétrons lacunas gera fótons Led+photodiodo = isolador óptico
Led - Light Emitting Diode
61
62
Historial do ledInventado em 1963 Led de cor vermelha Intensidade luminosa:
1 mcd (milicandela)O led só era utilizado para a indicação do estado dos equipamentos, ou seja, em rádios, televisores e outros equipamentos, sinalizando se o aparelho estava ligado ou não.
Fim dos anos 60 Led de cor amarelaDezenas de milicandela1975 Led de cor verde
Anos 80 Leds da cor vermelha e âmbar
Maior intensidade luminosa com a introdução da tecnologia Al ln GaP
Substituição de lâmpadas, principalmente na indústria automóvel.
Início dos anos 90 Leds de cores azul, verde, cyan e branco
Com o surgimento da tecnologia InGaN Substituição de alguns tipos de
lâmpadas em várias aplicações de iluminação. No final do anos 90 Leds que cobrem todo
o espectro de cores Fluxo luminoso da ordem de 30 a 40 lúmen e com um ângulo de emissão de 110 graus.
Leds que atingem o fluxo luminoso de 120 lúmen, uma potência de 1, 3 e 5 watt, estando disponíveis em várias cores, e sendo responsáveis pelo aumento considerável na
substituição de alguns tipos de lâmpadas em várias aplicações de iluminação.
63
Se comparamos a uma lâmpada de incandescência comum, o LED não tem filamento e o seu funcionamento é muito diferente. Ao ser aplicada uma tensão geram luz, devido ao movimento dos elétrons dentro do material semicondutor.
A luz gerada pelo led é originada através do aquecimento destes semicondutores por uma pequena corrente eléctrica que o percorre.
Led visto por dentro
Pastilha semicondutora
Copo reflector
Lente de Epoxy
(invólucro exterior)
Terminais de alimentação
Fio de ouro
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A luz emitida por um led é praticamente
monocromática, sendo possível fabricá-los com
luz de diferentes cores, alterando a composição
química do material semicondutor.
Os leds mais comuns são feitos de ligas de:
Gálio (Ga); Arsénio (As);
Alumínio (Al); Índio (In);
Nitride (N); Fósforo (P).
65
A emissão da luz de cor branca pode ser feita mediante a mistura de vermelho, verde e azul (RGB) podendo-se conseguir qualquer cor, incluindo o branco.O RGB (Red Green Blue) é a tecnologia capaz de emitir luz numa variedade quase infinita de cores a partir da combinação das três cores fundamentais.
66
Os leds são semicondutores que convertem a energia elétrica em luz de cor, alimentados a 12V, 24V ou 230 V, de acordo com os dispositivos de interface.
Um led não deve ser ligado diretamente a uma tomada de tensão elétrica comum (residencial).
O led trabalha com tensões muito baixas e a sua alimentação precisa de ser em corrente contínua e não em corrente alternada que é o caso das tomadas elétricas comuns. Por isso é sempre necessário o uso de uma fonte de alimentação ou interface (transformador ou um “driver”) que converta as características de alimentação de uma tomada comum para um padrão adequado ao funcionamento do led.
Um led acende quando está polarizado directamente ou seja, o ânodo (A) está positivo em relação ao
cátodo (K).
Quando polarizado inversamente um led não acende.
AK
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Exemplo:Led vermelho ELD-670-524
Valores máximos: IF=50 mA; VF=2,7 V; VR=5 V; PD=120 mWÂngulo de visualização: 25º
Comprimento de onda: 670 nmIntensidade luminosa: 250 mcd
Os parâmetros principais a considerar num led são essencialmente:
Cor; Tensão directa (VF) e Tensão inversa (VR) [V DC];Corrente directa (IF) e Corrente inversa (IR) [A];Potência de dissipação (PD) [W]; Ângulo de visualização; Comprimento de onda [nm]; Temperatura de cor [K]; Intensidade luminosa [cd] ou Fluxo luminoso [lm]
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Vantagens dos leds, relativamente às restantes fontes de luz:
Maior vida útil (50.000 horas) e consequente baixa manutenção;
Baixo consumo (relativamente às lâmpadas de incandescência) e uma eficiência energética (em torno de 50 lúmen/Watt);
Não emitem luz ultra-violeta (sendo ideais para aplicações onde este tipo de radiação é indesejada. Como por exemplo, quadros e obras de arte;
Não emitem radiação infravermelha, fazendo por isso que o feixe luminoso seja frio.
Resistência a impactos e vibrações: Utiliza tecnologia de estado sólido, portanto, sem filamentos e sem vidro, aumentando a sua robustez.
Maior segurança, já que trabalham em baixa tensão (< 33V). Proporcionam segurança para os utilizadores durante a sua instalação e utilização.
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Desvantagens dos leds, relativamente às restantes fontes de luz:
Custo de aquisição elevado, caso a aplicação seja desadequada; O índice de restituição de cor (IRC) pode não ser o mais
adequado; Necessidade de dispositivos de dissipação de calor, nos leds de
alta potência (a quantidade de luz emitida pelo led diminui com o aumento da temperatura).
Dissipador de calor num led de alta potência.
Display de 7 segmentos
70
O display de sete segmentos é um invólucro com sete leds com formato de segmento, posicionados de modo a possibilitar a formação de números decimais e algumas letras utilizadas no código hexadecimal.A figura representa uma unidade do display genérica, com a nomenclatura de identificação dos segmentos usual em manuais práticos.
71
Cátodo comum Ânodo comum
O display pode ser do tipo ânodo comum, ou seja os
terminais ânodo de todos os segmentos estão interligados internamente e para o display
funcionar, este terminal comum deverá ser ligado em Vcc,
enquanto que o segmento para ligar precisa de estar ligados no
GND.Já o display cátodo comum, é o contrário, ou seja, o terminal comum, deverá ser ligado ao
GND e para ligar o segmento é necessário aplicar Vcc ao
terminal.Actualmente, o display mais comercializado é o do tipo
ânodo comum.
Entre as tecnologias de fabrico das unidades de display o mais comum é o display a led, que possui cada segmento composto por um led, conforme as figuras.
72
O display de sete segmentos, é formado por sete leds, dispostos em forma de oito. Quando se necessita de acender o número “0”, ligam-se os leds correspondentes ao digito “0”, por exemplo, os segmentos a, b, c, d,
e, f.
73
Como os segmentos são leds, então precisamos de limitar a
corrente, para isso devemos usar uma resistência em cada
segmento. A corrente utilizada, depende do brilho que queremos do display, normalmente utilizam-se resistências entre 220 e 560
ohms, para uma fonte de 5Volt, o que equivale a uma corrente
entre 9mA a 20mA. Não devemos usar valores de
resistência muito baixo, pois estaremos a reduzir a vida útil do
display, inclusive podemos queimar o segmento. Se for usar
um display, teste antes cada segmento, para ter a certeza que não está a usar um display com
algum segmento queimado.
74
Um dispositivo electrónico muito usado com os displays de 7 segmentos é o descodificador BCD-7segmentos. O descodificador tem a função de
interpretar um código (BCD) e gerar os sinais para ligar o digito correspondente a este código no display de 7 segmentos.
Por exemplo:Entrada do descodificador em BCD (Decimal Codificado em Binário) – 0000
Saída do descodificador para o display de 7 segmentos - 0111111 - g f e d c b a
Note que a saída do descodificador corresponde a ligar os segmentos do
digito “0” de um display do tipo cátodo comum.
Os descodificadores comerciais disponíveis são: 7447 (ânodo comum) e 7448 (cátodo comum).
Descodificador BCD – 7segmentos
Entrada do descodificador
(0 em BCD)
Saída do descodificador para
o display de 7 segmentos (dígito 0)
0
0
0
0
0111111
75
Descodificador BCD – 7 segmentos.
Circuito integrado 7448
76
Muitas aplicações que utilizam displays de sete-segmentos, necessitam de vários displays. Isto implica um consumo grande de energia. Uma
solução adoptada e muito simples é multiplexar os displays. O que significa multiplexar?
Multiplexar, significa activar um display de cada vez, alternar o funcionamento dos displays. Portanto, cada display ficará ligado por um
espaço de tempo e depois apagará, mas isto é feito a uma frequência que a visão humana não
consegue perceber, ou seja, se os displays estiverem a ser multiplexados com uma
frequência de 50 Hz ou maior, a visão humana terá a impressão que todos os displays estão ligados, mas na realidade quando um liga os
outros estão desligados.
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Display matriz de ponto
A matriz de ponto é muito semelhante ao display, ou seja, é uma matriz de leds no formato 7x5, só que ao contrário do display de 7 segmentos, não se consegue ligar todos os leds ao mesmo tempo, só uma coluna de cada vez.
Logo precisa-se multiplexar as colunas, para ver o carácter no display.
Def.: Valor eficaz
78
Livro
79Principal Fonte para este material http://www.prof2000.pt/users/lpa
