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Disciplina de Eletrónica I

Prof. Dr. Baldo Luque

Universidade Federal do Acre

[email protected]

Julho 2016

Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1◦ semestre de 2016 Julho 2016 1 / 70

Plano de Aula

1 Diodos

2 Transistores Bipolares de Junção - TBJ

3 Transistores de Efeito de campo - FETs

4 Resposta em Frequência

5 Projeto - Fonte automática de tensão regulável


Plano de Aula

1 Diodos

2 Transistores Bipolares de Junção - TBJ

3 Transistores de Efeito de campo - FETs

4 Resposta em Frequência

5 Projeto - Fonte automática de tensão regulável


Diodos

Significa "Dois eletrodos".

Dispositivo eletrônico não lineal que em determinadascondições de operação permite a passagem da corrente,(estado ligado) e em outras condições bloqueia a conduçãoda mesma (estado desligado).


Diodos

Representação elétrica do Diodo.

Chama-se dispositivo semicondutor devido à junção de doistipos de materiais semicondutores: tipo P e tipo N.


DiodosA aplicação de uma determinada tensão no diodo pode levá-loa trabalhar em duas condições de operação:

Nenhuma polarização

VD = 0V ,⇒ ID = 0 mA

(Não condução)Polarização direta

VD > 0V ,⇒ ID > 0 mA

(Condução)Polarização reversa

VD < 0V ⇒ Corrente de saturao Is em nA

(Não condução)Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1◦ semestre de 2016 Julho 2016 6 / 70

DiodosA característica física do diodo é definida como:

ID = IS(e(qVD/nkT ) − 1)

Onde:

IS: Corrente de saturaçãoID: Corrente de conduçãoq: Carga do elétronK : Constante deBoltzmann= 1, 3806x10−23J/K .

VD: Tensão no diodon: Coeficiente de emissãoT : Temperatura (Kelvin)


Diodos

Representação gráfica:


Diodos

Tipos de Diodo:

Diodo comum;Diodo Zener;Diodo Schottky;Diodo Tunel;Diodo Varicap;Diodo Varistor;Diodo Emissor de luz(LED);Fotodiodo, entre outros.


DiodosCurva característica do diodo ideal:


Diodos

Curva característica do diodo semi ideal:


Análise de circuitos com diodos

Condições de condução

E > 0, 7V

A corrente de diodo é iguala corrente de carga;

ID = IR

Exemplos...


Análise de circuitos com diodos

Para

E = 10V ,RL = 1kΩ,Calcular ID =?

Pela 2da lei de Kirchoff

(∑

V = 0)

E = VD + VR ⇒ E = VD + IR · R

IR =E − VDR

como IR = ID

ID =10− 0, 71K

= 9, 3mA

∴ ID = 9, 3mA

Exercício1.-Determine a correntede operação docircuito anterior.Sendo que:

R = 100Ω,E = 12V ,

e o diodo éconsiderado ideal.


Análise por reta de carga

Esta técnica serve para determinar o valor exato da corrente etensão do diodo. A interseção da reta de carga com a curvacaracterística, determinará o ponto de operação do circuito.

E = VD + ID · R

Se:

VD = 0V

ID = 0A


Análise por reta de carga

Exemplo2.- Determine a reta de carga e o ponto de operaçãopara o circuito mostrado.

E = VD + ID · R

10 = VD + ID(500)

Para VD = 0V ;

ID =10500

ID = 20mA

Para ID = 0A;

VD = E

VD = 10V


Análise por reta de cargaGraficamente:

O ponto de operação representa o comportamento tanto dodiodo, quanto do circuito.Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1◦ semestre de 2016 Julho 2016 16 / 70

Polarização reversa

Exemplo3.- Determine VD,VR e ID para o circuito a seguir:

Quando o diodo é polarizadoreversamente, ele se comporta comouma chave aberta.

E = VD + IR · R

VR = IR ·R = 0V

E = VD + VR ⇒

VD = E = 8V


Polarização

No circuito anterior, mesmo estando o diodo no estadodesligado, sua tensão é significativa. Portanto:

Num circuito aberto, o diodo pode ter qualquer valor detensão entre seus terminais, mas, a corrente sempre seránula, 0A.Agora, numa situação de polarização direta (estado ligado)produz-se uma queda de tensão de 0V entre seusterminais, mas, a corrente é ilimitada.


Configurações série/paralelo de diodos comalimentação CC

Determine a tensão de saída Vo.

No circuito, observa-se queo diodo está polarizadodiretamente.No circuito aparece umacorrente I.

Alguém tem dificuldades de definir a operação do diodo?


Configurações série/paralelo de diodos comalimentação CCVamos a simplificar o circuito. O que acontece quando temosduas pilhas em série?. As tensões se somam. Isso também éválido para as resistências.

Qual é a ação do diodo emrelação à fonte?.

Rpta.: Ela polariza-sediretamente.

Et = E1 + E2; Rt = R1 + R2Prof. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1◦ semestre de 2016 Julho 2016 20 / 70


Voltando à análise do circuito:

E1 + E2 = I · R1 + I · R2 + VD

I =E1 + E2 − VDR1 + R2

Para E1 = 10V ,E2 = 5V

R1 = 4, 7KΩ,R2 = 2, 2KΩ

I =15− 0, 73K

= 2, 07mA

Tendo a corrente, podemoscalcular as tensões em R1 e R2

V1 = I · R1 = 9, 74V

V2 = I · R2 = 4, 55V

Agora:

Vo = I ·R2 − E2 = 4, 55− 5

Vo = −0, 45V




Configurações série/paralelo de diodos comalimentação CCExemplo4.- Determine: Vo, I1, ID1, ID2 e ID3Para E = 10V ,R = 2, 2KΩ

E = I1 ·R + VD1

I1 =E − VD1R

I1 =10− 0, 72, 2K

I1 = 4, 23 mA


Configurações série/paralelo de diodos comalimentação CCAgora: ID2 = 0A e ID1 = ID3

I1 = ID1 + ID3

ID1 =I12

ID1 = 2, 11 mA

ID3 = 2, 11 mA

Vo = 0, 7 VExercício2: Determine I, IR1 e ID2 paraE = 20V ,R1 = 2, 2KΩ R2 = 1, 3KΩ


Portas OR/AND


Circuitos com fonte de alimentação alternada

Entradas senoidais: Retificação de meia onda.

Graficamenteobserva-se:

Uma ondasimétrica naentrada

e uma ondaretificada na saídado circuito.



Agora, Como quantificar essa resposta?Pensar em dois conceitos: Valor médio e Valor RMS;No caso do Valor médio, para uma onda simétrica ela éVdc = 0;Portanto, usa-se Valor RMS para ondas simétricas e Valormédio para ondas retificadas.

Matemáticamente, essas duas grandezas podem ser definidascomo:

Vdc =1T

∫ T

0f (t)dt Vrms =

√1T

∫ T

0f (t)2dt

Importante!!! Para ondas senoidais Vdc = 0 e Vrms = Vp√2



Resumindo

O Valor médio serve para representar ou quantificarfunções (contínuas) que não sejam simétricas. Em geral,aplica-se para tensões e correntes CC;

O valor eficaz (rms) serve para quantificar grandezasalternadas. Em geral, tensões e correntes CA.



Vi(ωt) = Vp · sin(ωt)

Onde : Vp = Vm

Vdc =Vpπ

∫ π

0sin(ωt)d(ωt)

=Vpπ[

∫ π/2

0sin(ωt)d(ωt) +

∫ π

π/20d(ωt)]

=−Vpπ

(cos(ωt)|π/20 )

=−Vpπ

(cos(π/2)− cos(0))

Vdc =Vpπ

Vdc = 0, 318Vp


Circuitos com fonte de alimentação alternadaExemplo5.- Determine o valor médio da tensão de saída docircuito.

Vdc = 0, 318Vp = 0, 318(−20) = −6, 36V comVD = 0VVdc = 0, 318(−20 + 0, 7) = −6, 13V



Exercício3: Do circuito anterior, calcular: Vrms e ID.Exercício4: Determinar: Vdc, ID1, ID2, VD1 e VD2 do circuito aseguir. Para Vm = 10V , R = 2KΩ.


Retificador de onda completa

Usa-se esta configuração para melhorar a resposta da tensãode saída.



Analiticamente:

Vdc =Vpπ[

∫ π/2

0sin(ωt)d(ωt) +

∫ π

π/2sin(ωt)d(ωt)]

=−Vpπ

[cos|π/20 +cos|ππ/2] =−Vpπ

[cos(π

2)−cos(0)+cos(π)−cos(

π

2)]

=−Vpπ

(cos(π)− cos(0)) =−Vpπ

(−1− 1) =−Vpπ

(−2)

Vdc =2Vpπ

= 0, 636Vp

Vdc = 0, 636Vp



Exemplo6.- Determine a forma de onda de saída do circuito aseguir.

Vp = 5V

Vdc = 0, 636Vp= 3, 18V


Ceifadores

Circuitos com diodos que tem a capacidade de cortar umaparcela do sinal de entrada, sem distorcer o restante. Temosduas categorias de ceifadores:

Série


Ceifadores

Paralelo


Grampeadores

Circuitos com diodos que tem a capacidade de grampear o sinalpara um valor de nível diferente. A excursão total da saída éigual á excursão total do sinal de entrada.

Vo = 0V

Vi = VC = V

Vo = −VC−ViVo = −2ViVo = −2V


Diodo ZenerUtilizado em circuitos reguladores.

V = VZ VZ < V < 0V V = 0, 7VProf. Dr. Baldo Luque (UFAC) 1◦ semestre de 2016 Julho 2016 38 / 70

Diodo Zener

Exemplo7.- Determine VZ .Para Vi e R Fixos.

Removerimaginariamente odiodo Zener eobter a tensão decarga VL.

V = VL =RL · ViR + RL

Se V ≥ VZO diodo Zenerestá ligado.∴ VL = VZ


Diodo Zener

IZ = IR − IL onde IL =VLRL

IR =VRR

=Vi − VZR

A potência dissipada peloDiodo Zener é determinada por:

PZ = VZ · IZ

Onde, a PZ deve ser menor doque a PZM .

PZM : Potência Zener Máxima.

Agora... se V < VZ

VL =RL · ViR + RL

IZ = 0A PZ = 0W


Diodo ZenerQuando Vi é fixo e RL é variável.

Determinar a resistência decarga máxima.Supondo que:

VL = Vz =RL · ViR + RL

RL =R · VZVi − VZ

Sabemos que VZ > VSe RL → 0 V = 0V "off"Se RL → ∞ V = Vi V "on"

RLmin =R · VZVi − VZ

Qualquer valor acima de RLmingarantirá que o diodo Zenerfique no estado ligado.


Diodo Zener

Agora:

ILmax =VLRL

=VZRLmin

Quando o Zener está ligado

VR = Vi − VZ IR =VRR

IZ = IR − ILsendo que:IZmin → ILmaxIZmax → ILmin

Como IZ é limitado pelo IZM (IZMCorrente máxima do Zener)

ILmin = IR − IZM

∴ RLmax = VZILmin


Diodo Zener

Quando RL é fixo e Vi é variável.

VL = VZ =RL · VIR + RL

→ Vimin =(RL + R)VZ

RL

IZM = IR − ILIRmax = IZM + IL

Vimax = IRmax · R + VZExercício5: Da figura,determinar: RL, IRmax e IZM .


Circuitos multiplicadores de tensão

Exercício6: Determinar a tensão de saída vo do circuitomostrado.


Circuitos multiplicadores de tensão


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