EletrônicaDiodo 01

CIN-UPPE

Polarização direta

(foward)

Polarização direta

(reverse)

ruptura

(breakdown)

Diodo A natureza de uma junção p-n é que a corrente elétrica será

conduzida em apenas uma direção (direção direta) no sentido

da seta e não na direção contrária (reversa). Esta é a

ferramenta básica para o conceito de retificação na construção

de fontes de alimentação DC (Direct Corrent)(Corrente

Continua)(freqüência zero), etc.

Curva de operação de um díodo

Tensão de joelho

anodo catodo

Diodo –Características gerais

O diodo é um dispositivo não linear. Abaixo de um certa tensão

direta de 0.7 V (silício), apenas uma pequena corrente passa

pelo dispositivo.

Diferentemente de um resistor a corrente no diodo aumenta

bastante quando lhe aplicamos uma tensão direta superior a

0.7V. Isto ocorre devido a barreira de depleção dos diodos.

A resistência direta de um diodo retificador é, uma vez vencida

a barreira de potencial, proporcional a soma das resistências

das regiões p e n.

rB = rp + rn (resistência ôhmica do diodo)

Esta resistência alcança valores da ordem de 1 Ω.

Resitência no diodo Resistência estática (CC)

Em um dado circuito a resistência é dada pela lei de Ohm:

R = Vd/IdEsta resistência ocorre quando aplicamos uma tensão dc ao circuito

_+

id r

diodoV

Vd

Pontos de operação:Polarização direta:

a) Id = 2 mA; Vd = 0.5 V;

Rd = 250 Ωb) Id = 20 mA; Vd = 0.7 V;

Rd = 35 ΩPolarização reversa:

c) Vd = – 10V, Id =10 µA;Rd = 10 M Ω

Polarização direta

(foward)

Polarização direta

(reverse)

ruptura

(breakdown)

Id

Vd

20

2

Reta de carga

Reta de carga é um recurso usado para calcular o valor exato da corrente e da tensão de operação do diodo em um dado circuito.

Dado o circuito e as características elétricas do diodo, encontre seu ponto de operação.

_+

id R = 1KΩ

diodo10V

Vd

Vdc (V)

Id(mA)

a) Id = 10V/ 1KΩ = 10 mA

b) VR = IR.R = 9,22V0,78 10

10

V = Id.R+Vd

Reta de carga

Diodo – corrente e potência

A corrente direta em um diodo deve ser controlada a fim de se

evitar super aquecimento (dissipação de potência) do

dispositivo e sua queima. Assim sempre é aconselhável a

colocação de um resistor em série para a limitação desta

corrente.

_+

i r

diodoV

i = (V-Vd)/r

P = i.Vd = i2.rB (potência dissipada no diodo)

Vd

Em diodos retificadores, em geral, o fabricante especifica esta

característica em função da corrente máxima suportada pelo

diodo.

Exemplo:

Diodo IN4001 fornece uma corrente máxima (Io) de 1A.

Diodos - Modelos

Modelo Ideal – podemos idealizar um diodo perfeito, comparado o dispositivo retificador a uma chave mecânica.

– Diodo conduz com resistência zero quando o diodo está polarizado diretamente (chave fechada)

– Diodo não conduz “com resistência infinita” quando o diodo está polarizado inversamente (chave aberta)

Aberto V <0

Fechado V >0

V = 0,0 V

Resistência infinita

Diodos - modelos

Na segunda aproximação consideramos um diodo como uma

chave que precisa de uma tensão mínima (limiar) para seu

funcionamento.

V = 0.7 VAberto V <0,7 V

Fechado V >0,7 V

Aberto V <0,0 V

Fechado V >0,0 V

Diodo - modelos

Numa terceira aproximação, o modelo considera também a resistência interna do diodo rB em série com uma bateria (DC).

Este modelo é mais apropriado quando se trabalha com circuitos de alta precisão (resistores de precisão de valores bem baixos).

Aberto V <0

Fechado V >0

rBrB

V = 0,7 V (barreira de potencial)

=0,7V

Aberto V <0,7

Fechado V >0,7

Diodo - exemplo Diodo retificador 1N4001

cátodoanodo

Obs:

- Embora o diodo retificador 1N4001 suporte 1A como valor máximo

absoluto, devemos garantir, por questão de segurança e de vida útil do

dispositivo, que a corrente direta em condições normais de uso seja

da ordem de 0.5 A.

- A tensão direta típica (VF) é de 0.93 V.

Diodo

retificador

1N4001

Circuitos com diodos Algumas aplicações

– Porta lógica OR

– Porta Lógica AND

– Fonte de alimentação

• Meia onda

• Onda completa

Portas lógicas

Porta lógica OR

(X)V0

(Y)V1

(Z)Vout =(Z)Vout

+

-

(X)V0

(Y)V1

Porta lógica AND

=

R R

Z=X+Y Z=X.Y

Fontes de alimentação AC-DC

Uma fonte de alimentação DC a partir de uma fonte AC, no

Brasil, significa retificar tensões que trabalham a 60 Hz

(senoidal). Estas tensões podem aparecer em diferentes

valores (220V, 110V, 12 V, etc), dependendo do fator de

redução aplicado.

Em geral, os equipamentos eletrônicos trabalham a baixa

tensão, o que implica na necessidade de um transformador

para reduzir da tensão da rede, antes de se efetivar a

retificação.

∼ ∼220V Vac+

-∼/±

Circuito retificador

Vdc

Transmissão de energia elétrica

A energia elétrica produzida

nas usinas hidrelétricas é

levada, mediante condutores

de eletricidade, aos lugares

mais adequados para o seu

aproveitamento. Para o

transporte da energia até os

pontos de utilização, não

bastam fios e postes. Toda a

rede de distribuição depende

estreitamente dos

transformadores, que elevam

a tensão, ora a rebaixam.

http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica7/funciona/transformador.htm

Transformador

(eleva a tensão)

Transformador

(baixa a tensão)

Linhas de transmissão

de alta tensão

O transformador

1

2

∼ ∼V1

N1 : N2

V2

primário secundário

I1 I2

carga

Onde:

N2 = Número de espiras do secundário do transformador

N1 = Número de espiras do primário do transformador

Considere que não há perda no circuito magnético do transformador

(transformador ideal), ou seja, a potência de entrada é igual a potência de saída

(P1=P2).

Se P1=P2 , então I1V1 = I2V2 => I1 / I2 = V2 /V1 ;

Relação tensão/número de espiras em um transformador:

como V2 / V1=N2 / N1, então I1 / I2 = N2 /N1 , ou seja,

I1 = (N2 /N1). I2 e I2 = (N1 /N2). I1

Retificador por diodo Um dispositivo capaz de converter uma onda senoidal (cujo

valor médio é zero) em um forma de onda unidirecional, com

uma componente não zero, é chamado retificador.

∼ ∼RLV2(rms)V1(rms)

N1 : N2

5 : 1

Vdc = ?

0

V(volts)

α=ϖtπ 2π

Vp

α=ϖtπ 2π

Valores de tensão gerados

Valor Eficaz ou valor RMS é o valor que a tensão ou corrente deveria ter se a tensão fosse constante (como uma C.C. constante).

Por definição o valor efetivo ou rms de uma função periódica do tempo é dada pela área de um ciclo da curva, a qual representa o quadrado da função dividida pela base.

Para retificação meia onda:

Tensão Eficaz (ou RMS-Root-Mean-Square)= 0,707 do valor máximo (tensão de pico), ou seja, 70%.

Geralmente, quando se fala de uma corrente ou tensão alternada, faz-se referência ao seu valor eficaz.

– A corrente alternada medida por um amperímetro é a corrente eficaz.

– Os medidores indicam comumente valores eficazes (ou RMS)..

Vrms = (1/ 2π.∫ V(t)2dt)1/2

π

0

2π

0

Vrms =(1/ 2π.∫ Vp(t)2sen2dt)1/2 = Vp(t)/√2

Retificação de meia onda

Tensão de pico no primário:

Vp1 = Vrms.√2 => (120.1.414) V = 170 V

Tensão de pico no secundário:

Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 ≈ 34V

A freqüência do sinal de meia onda é igual à freqüência da linha:

f = 60 Hz, T= 1/f = 16,7 ms

Considere que o diodo é um diodo ideal

∼ ∼RL

1N4001

V2 = 24 V V1 = 120V

N1 : N2

5 : 1

Vdc = ?

Retificação em meia onda

T = 16.7 ms

T/2 T

V1

170

- 170

V(volts)

t(ms)

= 16.7

V2

34

- 34

V(volts)

t(ms)

T = 16.7

∼

1N4001

V2 = 24 V

N1 : N2

5: 1

RL

∼V1 = 120V

Vdc =10,8 V

O valor médio de uma função periódica é dado por

Vdc= (1/T).∫V(t)dt, ou seja, a área de um ciclo (área da meia onda) dividido pela base (T= 2 π )

Vdc = (1/T)∫V(t)dt , T=2 π , para meia onda:

Vdc=(1/T)∫ Vp sen(wt). dt = Vp/π = 0,318 Vp .

Assim, Vdc = 0,318.(34)V = 10,8 V

Freqüência: f=1/T = 1/16.7 ms = 60 Hz

T/2

0

Fator de ondulação

Vdc

Retificação em meia onda

T = 16.7 ms

T/2 T

Fator de Ondulação = F.O = Vp /(Vp /π) = π

170

- 170

V(volts)

t(ms)

= 16.7

∼ ∼RL

1N4001

V2 = 24 V V1 = 120V

N1 : N2

5 : 1

Retificação de onda completa Devido ao tap central da saída de baixa do transformador, o circuito é

equivalente a dois retificadores de meia onda.

O retificador inferior retifica o semiciclo negativo (D2) e o retificador superior o semiciclo positivo (D1). Ou seja, D1 conduz durante o semiciclo positivo e D2 durante o semiciclo negativo.

RL VdcV1 = 120V∼∼

∼

N1 : N2

5 : 11N4001

1N4001

24 V

RL Vdc=10,4VV1 = 120V∼∼

∼

N1 : N2

5 : 11N4001

1N4001

17V

- Tensão de pico no primário:

Vp1 = (120.1,414) V = 170 V

- Tensão de pico no secundário:

Vp2 = (N2 / N1). Vp1 = (1/5).170 ≈ 34V (total)

- Como a tomada central está aterrada, cada semiciclo do enrolamento secundário

tem uma tensão senoidal com um valor de 17V.

-O valor cc (Vdc) ou médio da tensão de saída(carga), considerando o tap central é

dado por:

Vdc = (2.Vp/π) = 0,636 Vp = 10,4V

A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora é dada por:

f2 = 2.f1 = 2. (60 Hz), T2= 1/f2 = 16,7/2 = 8,33 ms

Fator de ondulação = Vp/(2.Vp/π) = π/2

(f1 = 60Hz)

(f2 = 120Hz)

Retificação de onda completa em ponte

Construção que também retifica a onda nos dois sentidos, só que diferentemente do circuito com dois diodos, este modelo utiliza um trafo sem tap central (tomada central aterrada).

A vantagem de não usarmos a tomada central é que a tensão retificada na carga é o dobro daquela que teria o retificar de onda completa com tomada central.

D1

D2

D3

D4

V

∼ ∼V1 = 120V(6OhZ)

24 V

-

+

-

34 V170V

-170V

Tensão reversa

Tensão reversa

+

-

D1

D2

D3

D4

V

∼ ∼

Neste tipo de retificador a tensão de pico Vp saída é dada por:

Vp = 24/0.707 = 34 V

Considerando os dois diodos em série, temos que a tensão de pico na carga

é dada por Vp – 2.(0.7) = 32,6 V

Vantagens deste modelo:

1. saída em onda completa

2. Tensão ideal de pico igual a tensão de pico no secundário

3. Não necessidade de tomada central no enrolamento secundário.

Obs: A freqüência do sinal de meia onda na saída (tensão retificada) agora

é dada por:

f2 = 2.f1 = 2. (60 Hz), T2= 1/f2 = 16,7/2 = 8,33 ms

Fator de ondulação ≈ Vp/(2.Vp/π) = π/2

34V

Tensão de

ondulação

Tr = tensão de ondulação (ripple)(pico a pico)

Tp = tempo entre picos na tensão de saídaFuncionamento:

1. Inicialmente o capacitor está descarregado.

2. Durante o primeiro meio ciclo da tensão do secundário,o diodo está conduzindo

permitindo que o secundário carregue o capacitor até a tensão de pico.

3. Logo após, no ciclo negativo, o diodo pára de conduzir, o que significa uma chave

aberta. Neste estágio, o capacitor, como tem uma tensão Vp polariza inversamente

o diodo e começa a descarregar-se na carga (Rl).

4. O que devemos pensar é em torno da constante de tempo de descarga do

capacitor, que é função de Rl e de C. Esta constante deve ser bem maior que o

período T do sinal de entrada. Assim, o capacitor só de descarregará um pouco

até o próximo ciclo.

Reduzindo Fator de ondulação - filtro

Redução do F.O através da

introdução de um capacitor em

paralelo com a carga do circuito

Capacitor – curva de carga Equação de carga do capacitor

V

V0

0,63 V0

Em t = RC V0 V

0V0

Em t = 2RC 0,86V0

A voltagem entre os tempos T1 e T2 se comporta

como na descarga do capacitor, dada por:

A voltagem de ondulação é definida como a voltagem entre Vmax e Vmin:

Se a capacitância é grande, RC >> T2-T1, podemos aproximar a exponencial

como Assim,

Desde que T2-T1 ∼ T/2, onde T é o período da onda senoidal, então

Para um circuito com retificação de meia onda

Vr(pp) = Vmax/fRC

Circuito retificador em ponte

A tensão de saída da fonte, levando-se em conta uma ponte

retificadora:

– Existe dois diodos ligados em série, cada um com 0,7V de queda

de tensão.

Vdc = Vp – 1.4V

– Se considerarmos a ondulação em nossos cálculos podemos

estimar que:

Vcc(com ondulação) = Vcc (sem ondulação) – Vr(pp)/2

Este é um valor médio utilizada na prática.

O valor de pico a pico é menor que 10% do valor de pico.

Circuito retificador em ponte

Corrente cc no diodo em uma ponte retificadora é dada por:

– ID= o,5.IL– Isto ocorre porque cada diodo conduz durante um semi-ciclo.

– Assim, por exemplo, para um diodo que suporta 1 A, a carga máxima do circuito deveria ser de 2 A.

Tensão de pico reversa no diodo que não estiver em condução.

– PIV = Vp2

Corrente de surto

– Corrente existente quando da ligação do equipamento, quando o capacitor está descarregado.

– O diodo deve suportar uma corrente de pico em um tempo determinado.

• Se o capacitor for, em geral,menor que 1.000 µF, a corrente de surto é geralmente muita rápida para danificar o diodo.

• Se o capacitor for superior a 1.000 µF, necessitando de vários ciclos até sua carga, ele pode danificar o diodo.

Projeto

Projetar uma fonte de tensão com as seguintes características:

– Vsaída = 18V (rms) (tap central 9V)

– Corrente máxima = 100mA (carga)

– Retificador de meia onda (sem filtro capacitivo)

1. Retificador de onda completa em ponte

1. sem filtro capacitivo

2. Com filtro capacitivo (Ondulação máxima menor que 5%Vmax)

Obs:

– Utilizara retificação onda completa

– Especificar todos os componentes

– Demonstrar projeto em protoboard

– Implementar em placa padrão

Conversão AC - DC

Inversão de fase

Conversão AC - DC

Vp(pp) < 0.5% Vmax