Eletronica Básica II

8/6/2019 Eletronica Bsica II

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Eletrnica BsicaAula01: Semicondutor Intrnseco

Bibliografia: Microeletrnica - Vol.1 Sedra e Smith e Eletrnica Vol 1 -Malvino

A EletrnicaEm cursos anteriores, Circuitos Eltricos em CC e CA, estudamos circuitoseltricos. Circuitos eltricos so constitudos de componentes passivosconectados entre por fios. Em um circuito eletrnico de alguma forma ofluxo de corrente pode ser controlado por outro dispositivo, chamado deativo. De uma certa forma em circuitos eltricos temos dispositivos que

controlam o fluxo da corrente, tais como chaves, potencimetros e outros.Em eletrnica a diferena que ao invs de usar fora mecnica paraefetuar isso, usamos dispositivos eletrnicos par esse controle. Isto , aeletricidade controlando a eletricidade, essa a principal diferena entreesses dois mundos.

A eletrnica fundamentada em dispositivos semicondutores, isto ,dispositivos construdos a partir de um tipo de material chamadosemicondutor.

Semicondutor Intrnseco

1.1- Introduo

Como sabemos os materiais usados em eletrnica se classificam emcondutores (Ex: cobre , alumnio, ferro, ouro, prata, etc) e isolantes (Ex:madeira, borracha, ar, vidro, etc), mas existe um outro tipo de materialchamado de semicondutor (pois tem resistividade intermediaria entrecondutor e isolante) que tambm largamente usado em eletrnica

principalmente depois dos anos 50. Estes materiais ao contrario doscondutores tem a sua resistividade alterada quando fornecida algumtipo de radiao (trmica e luminosa principalmente). Devido s suascaractersticas esses materiais so usados construo de diodos,transistores, sensores, circuitos integrados e numa vasta gama decomponentes eletrnicos.

1.2 - Semicondutor Intrnseco

Que materiais so esses ? Quais as suas principais caractersticas ?Os primeiros semicondutores usados foram o Germnio (Ge) e o Silcio


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(Si), mas outros semicondutores j esto sendo utilizados atualmente,como Arsenieto de Glio (AsGa) e outros. Daremos nfase ao estudoconsiderando os dois primeiros devido maior quantidade de informaessobre os mesmos.

Para entendermos as caractersticas de um semicondutor deveremosfazer uma analise do ponto de vista atmico (tomo).

A fig01a mostra a estrutura de um tomo de Si, no qual podemosverificar que o mesmo tem 4 eltrons na camada de valencia (ultimacamada). Como essa ultima camada que determinar as propriedades doSi, a partir de agora a s consideraremos o ncleo, positivo e os quatroeltrons da camada de valencia, fig01b

( a ) ( b )Fig01: Estrutura simplificada do tomo de Si

importante observar que o tomo neutro, pois o numero de eltrons igual ao numero de prtons. O Si um cristal, isto , o arranjogeomtrico dos tomos feito de forma regular e ordenada em todas asdirees. No caso esse arranjo chamada de cbico, no qual cada tomose liga com quatro tomos vizinhos atravs de ligaes chamadas decovalentes. A fig02 mostra esse arranjo. (Inicio)

No esquecer que na realidade os tomos esto dispostos no espao em 3dimenses.


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Fig02: Estrutura cristalina do Si a 0K ( -273C) - O material secomporta como isolante

temperaturas prximas do zero absoluto (-273C ) o Si se comportacomo um isolante porque no existem eltrons livres disponveis para aconduo. medida que a temperatura aumenta a energia que fornecida aos eltrons da ultima camada (camada de valncia ) suficiente para " quebrar" a ligao covalente fazendo com que osmesmos se tornem livres. O extraordinrio desse fenmeno que, alm doeltron que foi liberado, a ausncia desse eltron na ligao covalentepode se comportar como carga eltrica, e chamada de lacuna ou buraco. Afig03 mostra a mesma estrutura da fig02 considerando que algumasligaes covalentes foram rompidas.A quantidade de energia necessriapara quebrar uma ligao depende do semicondutor, no caso do Ge 0,72eV e para o Si 1,1eV, temperatura ambiente. (Inicio)
http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/aulas/Aula001.htmlhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/aulas/Aula001.html


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Fig03: Estrutura do Si a uma temperatura acima de 0K ( acima de -273C ) - Gerao de pares eltron-lacuna

Se agora for aplicado um campo eltrico (tenso eltrica) ao cristal umacorrente eltrica aparecer. O mecanismo de conduo devido aoseltrons livres j conhecido, expliquemos como o mecanismo deconduo devido a uma lacuna. A fig04a mostra o cristal de Si sendosubmetido a um campo eltrico. Os eltrons livres se deslocaro contra ocampo eltrico, enquanto as lacunas se deslocaro no mesmo sentido docampo. Mas como isso acontece? A seqncia de figuras a seguir mostracomo isso acontece. Na fig4a, num instante t1 temos um eltron livre(circulo preto) e a ausncia desse eltron na ligao covalente (circulobranco).

(Inicio)

Instante t1


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Fig04a: Cristal de Si submetido a um campo eltrico (tenso eltrica )num instante t1.

Num instante t2 um eltron de valncia, caso tenha energia suficiente(quem est fornecendo essa energia a fonte externa ) poder ocupar alacuna, mas ao fazer isso deixa uma lacuna, e assim sucessivamente. Asfig04b e fig04c mostram essa seqncia. Ento tudo se passa com se umacarga positiva estivesse se deslocando para a direita do cristal, narealidade so eltrons de valncia que se deslocam no sentido contrrio.

Observar que esses eltrons de valncia se transformam em eltronslivres quando entram no metal (no esquea o semicondutor est ligado bateria atravs de fios de cobre!!!).

(Inicio)

Instante t2


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Fig04b: Cristal de Si submetido a um campo eltrico ( tenso eltrica ) numinstante t2

Instante t3

Fig04c: Cristal de Si submetido a um campo eltrico ( tenso eltrica ) numinstante t3 (Inicio)

A corrente total no cristal ser a soma do fluxo de eltrons com o fluxo

de lacunas: IT = Ie + INo caso de um semicondutor intrnseco (puro) o numero de eltrons porunidade de volume (n) igual ao numero de lacunas por unidade de volume(p):

n = p =ni, ni a concentrao intrnseca do semicondutor.

Eletrnica BsicaAula02: Semicondutor ExtrnsecoBibliografia: Microeletrnica - Vol.1 Sedra e Smith e Eletrnica Vol 1 -Malvino

Semicondutores ExtrnsecosO semicondutor visto anteriormente tem como principal caracterstica ofato da concentrao (numero de portadores por cm3) de eltrons livresser igual de lacunas e o seu nmero ser altamente depende datemperatura. Um semicondutor extrnseco ter algumas de suascaractersticas eltricas (como por exemplo a condutividade) alterada seforem adicionadas impurezas com nveis de concentrao adequados.


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Semicondutor Tipo N

O semicondutor tipo N obtido adicionando-se quantidadescontroladas de impurezas pentavalente ao material puro(semicondutor intrnseco). Por exemplo adicionando-se o fsforo (P)o qual pentavalente (5 eltrons na camada de valncia), o mesmosubstituir um tomo de semicondutor (Ge ou Si). Quatro dos seuseltrons sero compartilhados com quatro tomos vizinhos de Sienquanto o quinto eltron poder se tornar livre em temperaturasmuito baixas sem que seja gerado lacuna.

( a ) ( b )

Fig01: ( a ) tomo de fsforo ligado a quatro tomos de Si ( b ) quintoeltron livre, gera um on preso estruturacristalina

Desta forma inicialmente s teremos eltrons livres como portadores decarga, por isso o material chamado de N e a impureza de doadora.Aumentando-se mais ainda a temperatura ser atingida uma temperaturapara a qual sero gerados os pares eltron-lacuna. Os eltrons livres sochamados de portadores majoritrios enquanto as lacunas so chamadasde portadores minoritrios.

Se ND a concentrao de tomos da impureza, a concentrao deeltrons livres no equilbrio trmico (taxa de gerao de pares eltron-lacuna = taxa de recombinao de pares), nn0, ser dada por:


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nn0 ND e a concentrao de lacunas ser calculada aproximadamente por:

(equao 1)

onde ni a concentrao intrinseca de pares eletron-lacuna, valendo2,5x1013 cm-3 para o Ge e 1,5x1010 cm-3 para o Si a temperatura ambientede 27C.

Como ni depende da temperatura, significar que a concentrao delacunas ser dependente da temperatura, porm como a concentrao de

eltrons livres ser praticamente igual ND ento no depender datemperatura.

Semicondutor Tipo P

O semicondutor tipo P obtido adicionando-se quantidades controladasde impurezas trivalente ao material puro (semicondutor intrnseco). Umexemplo deste tipo de impureza o boro (B). Como o boro trivalente osseus trs eltrons de Valencia sero compartilhados com quatro tomosde Si, porm uma das ligaes no ser completada. Essa lacuna poder se

comportar como um portador de carga positivo em uma temperatura muitobaixa quando um eltron de valncia de um tomo vizinho se deslocar paraocupar aquela vaga.


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( a ) ( b )

Fig02: ( a ) tomo de boro ligado a quatro tomos de Si ( b ) a vaga

(lacuna) preenchida por um eltron de valncia de um tomo prximo,gera um on negativo preso estrutura cristalina

Observe que o eltron que se desloca para preencher a vaga (lacuna) no livre. Do ponto de vista eltrico tudo se passa como se uma carga positivade mesmo valor que a carga do eltron estivesse se deslocando no sentidocontrrio ao movimento do eltron.

Desta forma inicialmente s teremos lacunas livres como portadores decarga, por isso o material chamado de P e a impureza de aceitadora.Aumentando-se mais ainda a temperatura ser atingida uma temperaturapara a qual sero gerados os pares eltron-lacuna. As lacunas livres sochamados de portadores majoritrios enquanto os eltrons livres so

chamados de portadores minoritrios.Se NA a concentrao de tomos da impureza aceitadora, aconcentrao de lacunas livres no equilbrio trmico (taxa de gerao depares eltron-lacuna = taxa de recombinao de pares), pn0, ser dadapor:

pn0 NA e a concentrao de eltrons livres ser calculadaaproximadamente por:

(equao 2)

Importante lembrar!! os materiais N e P so eletricamente neutros, ascargas livres so neutralizadas pelos ons presos estrutura cristalina.

Juno PN


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obtida conectando, de forma adequada, material P ao material N. Comoexiste uma diferena de concentrao de portadores de ambos os ladosda juno, inicialmente haver uma difuso de eltrons livres do lado Nindo para op lado P e ao mesmo tempo lacunas se difundiro do lado P para

o lado N. A conseqncia disso que do lado N aparecero ons positivosno neutralizados e do lado P ons negativos no neutralizados fazendoaparecer uma regio que no tem cargas livres, por isso chamada deregio de depleo.

Essa distribuio de cargas cria uma barreira a qual se opor difuso demais portadores majoritrios, lacunas no lado P e eltrons livres no ladoN. Essa corrente representada por IDifuso na figura3.Caso algum portador minoritrio (aqueles gerados pela temperatura),eltron livre do lado P ou lacuna do lado N, se aproxime desta regio,ser acelerados pelo campo ai existente e passar para a outra regio.Esse fluxo representado na figura3 por IDeriva. Na figura3, aps oequilbrio, a soma das correntes atravs da juno zero.isto , IDeriva=IDifuso .

Fig03: Juno PN em aberto mostrando as duas correntes (difuso e dederiva)


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Juno PN com Polarizao Reversa

Quando for aplicado uma tenso com a polaridade indicada na figura4, alargura da regio de depleo aumentar, aumentado a altura da barreirade potencial dificultando mais ainda a passagem dos portadoresmajoritrios de um lado da juno para o outro. A nica correnteexistente a corrente devido aos portadores minoritrios os quaisdependem unicamente da temperatura, desta forma esta corrente

tambm chamada de corrente reversa de saturao (Is) s depender datemperatura sendo da ordem de nA (Si) ou uA (Ge). Observe que essacorrente ajudada pelo campo eltrico que se estabelece na regio decarga espacial.

Fig04: Juno PN com polarizao reversa


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Juno PN com Polarizao Direta

Quando for aplicado uma tenso com a polaridade indicada na figura5, alargura da regio de depleo diminuir, diminuindo a altura da barreirade potencial facilitando o deslocamento dos portadores majoritrios deum lado da juno para o outro. Inicialmente toda a tenso estar aplicadadiretamente na regio da juno, baixando a barreira de potencial, e aqueda de tenso no material N e P desprezvel. A corrente controlada

pela variao da altura da barreira.A medida que a corrente aumenta, a tenso externa se distribui entre omaterial e a barreira. A partir desse ponto a corrente passa a sercontrolada pela resistncia direta do material (a corrente no diodo passaa ter um comportamento aproximadamente linear com a tenso).Colocando adequadamente terminais de contato em ambas asextremidades teremos um componente chamado de diodo de juno.Ateno !! No foi indicado, mas para limitar a corrente no circuito necessrio colocar em serie com o diodo uma resistncia hmica, caso

contrrio a corrente pode aumentar em demasia destruindo o componentepor efeito Joule.A corrente s aumentar efetivamente quando a tenso aplicada entreos terminais exceder aproximadamente de 0,6V a 0,7V( para diodo de Si), quando a barreira de potencial ser vencida.


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Fig05: Juno PN com polarizaodireta

Observe que a corrente total atravs da juno (I) ser constituda deduas componentes, a corrente de saturao mais a corrente de difuso,sendo que a de difuso muito maior que a de saturao.Desta forma:

I= ID - IS = ID

A equao da corrente atravs da juno dada por:

onde Is a corrente reversa de saturao, V a tenso aplicada najuno, n vale aproximadamente 1 para Ge e 2 para Si e VT umaconstante que depende da temperatura valendo 26mV na temperaturaambiente (T=300 Kelvin).

Se V for positivo e muito maior que 26mV, o diodo estar polarizadodiretamente e nesse caso a expresso acima se reduz a:

Se V for negativo e muito maior que 26mV (em modulo) o diodo estarpolarizado reversamente e a expresso acima se reduz a:


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http://www.st-andrews.ac.uk/~www_pa/Scots_Guide/info/comp/passive/diode/diode.htm

http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

Curva Caracterstica do Diodo

O grfico a seguir mostra a corrente em funo da tenso aplicada em umdiodo de juno para o caso de diodo de silicio (Si)

Fig06: Curva caracteristica de um diodo de Si

Podemos notar que o grfico tem 3 regies:

1. Regio de polarizao direta: vd > 0

2. Regio de polarizao reversa: vd


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Polarizao Direta

Em polarizao direta a expresso matemtica :

(equao 3)

IS=corrente de saturao = constante para uma dada temperatura

(equao 4)

VT chamada de constante termica

K= constante de Boltzmann

T a temperatura absoluta (0K)

q o valor da carga do eltron (q=1,6.10-19C)

Substituindo os valores numericos das contantes na expresso

resultar VT=25mV na temperatura ambiente (250C)

n=1 para diodos construidos em CI e 2 para diodos discretos

Para V


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buscar essas informaes na bibliografia que adotada.A Fig01 mostra o diodo com a indicao dos dois terminais , anodo(A) ecatodo (K), o simbolo, e o diodo em polarizao direta e polarizaoreversa bem como aspecto fisico de diodos comerciais.

( a ) ( b )

( c ) ( d )

( e )

Fig01: ( a ) Aspectos construtivos ( b ) Smbolo ) ( c ) Diodo polarizado

diretamente - ( d ) Diodo polarizado reversamente ( e ) exemplos dediodos comerciais

Diodo Polarizado Diretamente .

Para o diodo conduzir, mesmo em polarizao direta, necessrio que atenso da bateria seja de pelo menos 0,7V (para vencer a barreira depotencial). Em conduo um diodo apresenta uma queda de tenso de


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aproximadamente 0,7V( diodo de Si). No circuito a seguir a corrente nocircuito de aproximadamente 11,3mA.

Fig02: Circuito com o diodo polarizado diretamente

Diodo Polarizado Reversamente

Com polarizao reversa a corrente no diodo ser muito baixa (da ordemde nA para diodos de Si), de forma que do ponto de vista prtico serzero. Esta corrente reversa tambm chamada de corrente de fuga sdepende de aspectos construtivos (dopagem) e da temperatura (dobra

de valor para cada 10 graus de aumento na temperatura). Observe quequando polarizado reversamente toda a tenso da fonte cair entre osterminais do diodo, que dever ter capacidade para suportar essa tensoreversa, caso contrrio pode ocorrer um fenmeno chamado de avalancheo que pode levar destruio do diodo.

Clique no circuito para obter o ARQUIVO

Fig03: Circuito com o diodo polarizado reversamente

Modelos (Circuitos Equivalentes) para o Diodo
http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/DIODO_REVERAMENTE.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/diodo_diretamente.CIR


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Modelar um dispositivo eletrnico, usar componentes bsicos tais comoresistncias, fontes de tenso. fontes de corrente e capacitncias pararepresenta-lo, permitindo desta forma que possamos usar as leis de circuitopara estuda-lo. O construtor de um simulador modela um componente

eletrnico a partir das informaes fornecidas pelo fabricante docomponente, desta forma ao simular um circuito os resultados serosemelhantes aos obtidos em um circuito real.

Modelo 1 - Diodo Ideal

O modelo mais simples do diodo considera-o como sendo uma chave que controlada pela tenso aplicada no diodo. Se a tenso positiva a chavefecha, se negativa a chave abre. O diodo se comporta de forma ideal.

A figura a seguir mostra a curva caracteristica

Fig04: Curva caracterstica do diodo ideal

A figura a seguir mostra dois circuitos, com diodo e com a chave fechadarepresentando o diodo. Como podemos notar existe uma diferena entreas duas medidas, mas o erro pode ser desprezado.


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( a )( b )

Fig05: ( a ) Circuito com diodo ( b ) circuito com o modelo simplificado(chave fechada) Arquivo MicroCap

A pergunta que fica : Podemos usar esse modelo sempre? Vamosresponde-la considerando outro exemplo. Consideremos que a bateria docircuito da figura5 muda de valor, passando a valer1,5V. Resulta o circuitoda figura6.

( a ) ( b )

Fig06: ( a ) Circuito com diodo ( b ) circuito com o modelo simplificado inadequado Arquivo MicroCap

Observe que neste caso o erro entre as duas corrente deaproximadamente 100% . Neste caso no podemos mais usar o modelo dachave fechada para representar o diodo. devenos melhorar o modelo

Modelo 2 - Bateria

O modelo anterior pode ser melhorado considerando-se que ao conduzir odiodo pode ser substituido por uma bateria de 0,6V. Se a tenso aplicada nodiodo for maior que 0,6V o diodo ser substituido por uma bateria de o,6V.Para uma tenso menor que 0,6V o diodo ser um circuito aberto.
http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/aula03_Fig05.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/aula03_Fig06.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/aula03_Fig05.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/aula03_Fig06.CIR


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Fig07: Modelo que considera a barreira de potencial

A figura a seguir mostra as medidas em um circuito com diodo e nocircuito equivalente com a bateria de 0,6V substituindo o diodo.

( a ) ( b )

Fig08: ( a ) Circuito com diodo ( b ) circuito com o modelo com bateria

Arquivo MicroCapComo podemos observar os valores so muito prximos. O modelo anteriorpode ser melhorado mais ainda se substituirmos o diodo por uma bateriaem serie com uma resistncia (resistncia CC do corpo do diodo) parav>0,6V.

Modelo 3 - Bateria e Resistncia (modelo linearizado por trechos deretas)

A figura a seguir mostra a curva caracterstica linearizada por dois trechos

de reta.
http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/AULA03_FIG08.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/AULA03_FIG08.CIR


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Fig09: Linearizao da curva caractersticaA figura a seguir mostra as medidas em um circuito com diodo e nocircuito equivalente com a bateria de 0,6V em serie com uma resistnciade 50 Ohms substituindo o diodo.

Fig10: ( a ) Circuito com diodo ( b ) circuito com o modelo linearizado portrechos de reta Arquivo MicroCap

Observar que os resultados so muito prximos, desta forma o modelo a aser adotado depende dos valores da bateria e da resistncia do circuito.Se a tenso da fonte for muito maior do que 0,6V podemos usar o modelosimplificado, caso contrario deve ser usado o penltimo ou o ultimomodelo.

Determinao do Ponto Quiescente usando o Modelo

O ponto quiescente pode ser determinado atravs do modelo.
http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/aula03_Fig05.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/aula03_Fig05.CIR


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Por exemplo, se usarmos o modelo 2 (bateria) a corrente pode serestimada por:

Fig11: Determinando o ponto quiescente analiticamente usando o modelo

de bateria arquivo Microcap

Determinao do Ponto Quiescente Atravs da Analise GrficaO ponto quiescente pode ser determinado graficamente se a curvacaracterstica for conhecida. Na figura 11 a equao do circuito :

( a ) ( b )Fig12: ( a ) Determinando graficamente o ponto quiescente ( b ) detalhe

Experincia 01 - Diodo (Inicio)

1) Abra o arquivo ExpEG01 Microcap8 ou ExpEG01 Multisim2001ou ExpEG01 Multisim9 identifique os circuitos da Fig01. Ative-osanotando as correntes e a tenso no diodo para as duas situaesindicadas.

Polarizao direta
http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/ponto%20quiescente01.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/CursoEG/http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/expeg01.msmhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/expeg01.ms9http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/figuras/analisegrafica_detalhe.gifhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/figuras/CurvCaract_retacarga.gifhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/ponto%20quiescente01.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/CursoEG/http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/expeg01.msmhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/expeg01.ms9


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I(calc)=_________ I(med)=________

Polarizao Reversa

IS(modelo)=_________ IS(Med)=________

Obs: IS(modelo) a corrente de fuga quer voc obtm quando d duploclique no simbolo do diodo e entra no modelo.

1.1) Os arquivos a seguir so dois circuitos onde a fonte de alimentao(1,5V) da mesma ordem de grandeza da tenso de conduo do diodo(0,6V)

Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8 - Modelo Simplificado

Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8 - Modelo com Bateria

Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8 - Modelo com Bateria eResistencia (modelo linearizado)

1.2.) Os arquivos a seguir so dois circuitos onde a fonte de alimentao(100V) muito maior do que a tenso de conduo do diodo (0,6V)

Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8 - Modelo Simplificado

Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8 - Modelo com Bateria

Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8 - Modelo com Bateria eResistncia (modelo linearizado

2) Qual a sua concluso ?

Aplicaes Bsicas de Semicondutores

Retificadores

A maioria dos circuitos eletrnicos (celulares, videogames, rdios, TV,etc)necessita para o seu bom funcionamento que sejam alimentados com tensocontinua (CC), e como a tenso disponvel nas tomadas alternada (CA), sernecessrio converter essa tenso CA em tenso CC. A fonte de alimentao

CC completa consiste de um conversor CA/CC, tambm chamado deretificador, de filtro e por ultimo de regulador.

Teoricamente a tenso na sada deve ser perfeitamente continua , mas napratica existe uma ondulao ou riplle. Uma medida da eficincia dessescircuitos dada pelo fator de ripple() definido como sendo:

Para exemplificar consideremos a forma de onda da figura 13 que umatenso continua de 8V na qual foi adicionada uma tenso senoidal de 1V depico (V=8+1.sen(.t)).
http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01A.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01b.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01c.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01A_1.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01B_1.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01C_1.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01A.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01b.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01c.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01A_1.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01B_1.CIRhttp://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/arquivosmsm/EXP01C_1.CIR


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Figura 13:Exemplificado o ripple

Para a forma de onda da figura 13 o rippletem 1V de pico e 0,707V devalor eficaz como a tenso media (continua) vale 8V o fato de ripplevale:

Alm do fator de rippleexistem outros parmetros para caracterizar umafonte de alimentao:

Eficincia ()

Fator de Forma (FF)

Fator de Pico (FP)

Retificador de Meia Onda

Em um retificador de meia onda somente o semi ciclo positivo aparecena carga, figura 13a. O secundrio do transformador na figura 13A fornece


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uma tenso senoidal de valor de pico igual a Vep. Quando a tenso deentrada for maior do que 0,7V o diodo conduz e a tenso na carga ser iguala Ve - 0,7V. Quando a tenso de entrada for negativa o diodo corta (circuitoaberto) e a tenso na carga ser igual a zero. As figuras 2.1b, 2.1b e 2.1c

representam respectivamente a forma de onda no secundrio, na carga e nodiodo.

No circuito da Fig13a, no semiciclo positivo o diodo estar polarizadodiretamente e, numa primeira aproximao, se comportar como umachave fechada. portanto toda a tenso da fonte estar aplicada nacarga. No semiciclo negativo o diodo estar polarizado reversamente,portanto o diodo estar cortado, se comportando como uma chave aberta.

( a ) ( b )

( c ) ( d )

Fig13: ( a ) Circuito retificador de meia onda - ( b ) Circuito equivalenteno semi ciclo positivo - (c ) Circuito equivalente no semi ciclo negativo -( d ) Forma de onda na carga considerando diodo ideal.


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Observe que o diodo s conduz quando a tenso de entrada positiva(semiciclo positivo), pois nessas condies o diodo estar polarizadodiretamente. Para a forma de onda da sada interessa saber o seu valormdio (valor contnuo - valor medido por um voltmetro para CC). Se o valor

de pico da senide (vide curso de CA) de entrada VM, o valor mdio datenso na carga ser dado por:

VDC=Vpico/

A tenso mdia (VDC ) a tenso medida por um voltmetro CC.

Para essa mesma forma de onda o seu valor eficaz (tenso medida por umvoltimetro True RMS) dada por:

VRMS =Vp/2Se a amplitude da senoide for da ordem de grandeza da barreira depotencial a tenso na carga no comea no mesmo instante que a tenso deentrada, alem disso as amplitudes das duas tenses sero visivelmentediferentes. A figura a seguir mostra esse efeito. Neste caso no calculo catenso media e eficaz deve ser descontado 0,7V no valor de pico datenso na carga.

Fig14: Formas de onda de entrada e sada quando a entrada da ordem

de grandeza da barreira de potencialO fator de rippledo circuito vale 1,21 ou 121%

A seguir alguns dos dados obtidos de um manual de diodo que podem serteis no projeto de uma fonte de alimentao, lembrando que para maioresinformaes procurar o manual completo.

Tabela I: Alguns valores limites para um diodo comercial

MAXUMUM RATINGS AND ELECTRICAL CHARACTERISTICS (CaracteristicasEltricas e mximos limites)

SYMBOLS 1N4001 1N4002 1N4003 UNITS


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Maximum Recurrent PeakReverse Voltage(Mxima tenso de pico

repetitive)

VRRM 50 100 200 V

Maximum Average ForwardRectified Current(Mxima corrente media)

IAV 1,0 A

Por exemplo: Considere que no circuito da figura 13a a tenso secundaria 12V, e a carga de 100 Ohms.

Para essa tenso o valor de pico vale: Vep=12x1,41=17V

A tenso media na carga valer:

A corrente media na carga valer:

Pode ser usado qualquer um dos diodos da tabela I, pois IAV=1A>ICC=26mA e

VRRM=50V (mnimo)>17VExperincia02 - Retificador de Meia Onda

1) Abra o arquivo ExpEG02 MicroCap8 ExpEG02 Multisim2001 eidentifique o circuito da figura a seguir. Ative o circuito e anote asformas de onda de entrada e na carga (1K) e os valores da tenso mdia(VDC) na carga e da corrente mdia (IDC) na carga. Compare com osvalores tericos (calculados).

Fig15: Circuito retificador de meia onda
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Tabela I

Valores Calculados Valores MedidosVDC IDC VDC IDC

2) Concluses:

Aula04: Retificador de Meia Onda com FiltroCapacitivo

Bibliografia: Microeletrnica - Vol.1 Sedra e Smith e Eletrnica Vol 1 -Malvino

Retificador de Meia Onda com Filtro CapacitivoRetificador de Meia Onda com Filtro Capacitivo

A colocao de um capacitor em paralelo com a carga melhora odesempenho do circuito atravs da diminuio do ripple(flutuao datenso ao redor de um valor mdio) e do aumento na tenso contnua (para

um mesmo valor de tenso alternada). A Fig01 mostra uma forma de ondasenoidal variando ao redor de um nivel DC (Offset).


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Fig01: Forma de onda senoidal com ripple

Obs: Para um ripple pequeno (VRipple


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( a )

( b )

Fig02: ( a ) Retificador de meia onda com filtro capacitivo ( b ) Formasde onda de entrada (azul) e saida (vermelho)b

Experincia 03 - Retificador Meia Onda com Filtro Capacitivo

1) Abra o arquivo ExpEg03 Multisim2001 ou ExpEg03 Multisim9 eidentifique o circuito da Fig03 (Abaixo). Ative-o. Anote a forma de ondana carga, medindo o valor mdio da tenso (compare com o valor sem

capacitor) e o ripple(coloque a chave de entrada em AC para medir sripple) para a chave nas duas posies (C1 e C2).
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Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8

Fig03: Retificador meia onda com filtro capacitivo- circuito para aexperincia 03

2) Medindo a Ondulao (ripple ) para diferentes valores de capacitor defiltro.

Para cada valor de C mea a ondulao.Dica: coloque a chave de entrada em AC e escolha uma escala adequada deVolts/Div

C1=20uF

ripple (medido)= ripple (estimado) =

VDC (medido)=

C2=500uF

ripple (medido)= ripple (estimado) =

VDC(medido)=Lembre-se!! A expresso do ripples vlida se o mesmo for muito menordo que o valor de pico da tenso senoidal.
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Eletronica Básica II