PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS

DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA E FÍSICA

Professor: Renato Medeiros

ENG 1550

Eletrônica Geral

Cap 01

Goiânia 2019

Classificação dos materiais

Condutores: Material capaz de sustentar um fluxo de cargas elétricas quando

submetido a uma diferença de potencial;

Isolante: material capaz de oferecer resistência ao fluxo de cargas elétricas quando

submetido a uma diferença de potencial;

Semicondutor: material que possui nível de condutividade entre os extremos de

um isolante e de um condutor

Exemplos de semicondutores:

Silício

Como material refratário, sendo usado em cerâmicas e esmaltados.

Como elemento de liga em fundições.

Fabricação de vidro e cristais para janelas e isolantes, entre outros usos.

O carboneto de silício é um dos abrasiVTs mais importantes.

Usa-se em lasers para a obtenção de luz com um comprimento de onda de

456 nm.

O silicone se usa em medicina para implantes em seios e produção de

lentes de contato.

O silicone é usado para fabricação de Chupetas

Germânio:

Fibra óptica.

Eletrônica: Radares, amplificadores de guitarras elétricas, ligas metálicas

de SiGe em circuitos integrados de alta velocidade.

Óptica de infravermelhos: espectroscópios, sistemas de visão noturna e

outros equipamentos.

Lentes, com alto índice de refração, de ângulo amplo e para microscópios.

Em joias é usado uma liga metálica de Au com 12% de germânio.

Como elemento endurecedor do alumínio, magnésio e estanho.

Em quimioterapia.

O tetracloreto de germânio é usado como catalisador na síntese de

polímeros ( PET ).

Foi usado enquanto germanato de bismuto no tipo de câmera gama utilizada nos anos 80,

em medicina nuclear

Além do germânio, do silício e de alguns outros elementos, são semicondutores

uma grande quantidade de substâncias entre as quais se destacam os compostos

binários constituídos por átomos de grupos diferentes da tabela periódica como,

por exemplo, GaAs,

Elemento Energia de gap (eV)

Silício – Si 1,21

Germânio – Ge 0,785

Arseneto de Gálio – GaAs 1,54

Semicondutores Intrínsecos

Semicondutores intrínsecos são substâncias sem qualquer tipo de impureza.

Para Temperaturas baixas comportam-se como isolantes.

O silício e o germânio são semicondutores intrínsecos com uma banda proibida de 1,21

eV e 0,785 eV, respectivamente.

Aqui o número de lacunas é igual ao número de elétrons livre (nL = ne), eles são

gerados, principalmente, por excitação térmica

Semicondutores Extrínsecos.

A condutividade de um material semicondutor pode ser aumentada por diversas

ordens de grandeza pela adição de quantidades muito pequenas de certas

substâncias chamadas impurezas.

Formação dos diodos

Um pedaço de SC, tanto tipo N quanto tipo P, não tem muito mais utilidade do

que como resistor

A junção PN diodos e transistores

O nome diodo vem da contração de dois (di) eletrodos (odos)

Camada de depleção

No lado N os elétrons repelem-se em todas as direções, inclusive alguns elétrons

são lançados através da junção PN

recombina-se com uma lacuna e deixa de ser elétron livre e passa a ser um elétron

de valência

Na verdade temos a geração de um íon positiVT no lado P e um íon negatiVT no

lado N.

Camada de depleção

No lado N os elétrons repelem-se em todas as direções, inclusive alguns elétrons

são lançados através da junção PN

recombina-se com uma lacuna e deixa de ser elétron livre e passa a ser um elétron

de valência

Na verdade temos a geração de um íon positiVT no lado P e um íon negatiVT no

lado N.

Polarização dos diodos

No estado normal, o semicondutor é eletricamente neutro

Na junção, os elétrons portadores da parte N tendem a ocupar buracos na parte P,

deixando esta com um potencial negatiVT e a parte N com um potencial positiVT

e, assim, formando uma barreira potencial VT.

A polaridade da barreira de potencial mantém os elétrons na parte N e os buracos

na parte P.

Recapitulando

Diodos Retificadores

Aqui trataremos dos métodos de aproximação dos diodos. A aproximação a ser usada

dependerá do que VTcê pretende fazer. Após o estudo deste capítulo, VTcê deverá ser

capaz de:

• Desenhar o símbolo do diodo e identificar o catodo e anodo;

• Desenhar a curva do diodo e identificar todos os seus pontos;

• Descrever as características de um diodo ideal, da segunda e da terceira

aproximação;

• Montar os retificadores de meia onda, de tomada central e em ponte.

O símbolo Esquemático.

A figura abaixo mostra o símbolo esquemático de um diodo retificador. O lado P é

chamado anodo e o lado N de catodo. A simbologia do diodo lembra uma seta, que indica

o sentido de fluxo de corrente que circula do lado P para o lado N.

Curva do Diodo.

No circuito abaixo a primeira coisa a ser feita é identificar se o diodo está polarizado

diretamente (PD) ou reversamente (PR).

Polarização direta do diodo

Após identificarmos se o diodo está polarizado diretamente ou reversamente, podemos

obter a curva deste diodo conforme a figura abaixo

Tensão de Joelho.

O valor da tensão no qual a corrente começa a aumentar rapidamente é chamada tensão

de joelho do diodo ( VT ). Este valor depende do tipo de cristal que é formado o diodo.

No caso do silício temos 0,7 V. já para o germânio temos uma tensão de joelho 0,3 V.

Resistência de Corpo.

Uma vez vencida a barreira de potencial, o que impede a corrente de fluir é a própria

resistência do cristal, chamada resistência de corpo do diodo. Ela é dada pela soma da

resistência do lado N com a resistência do lado P, ou seja,

B P Nr r r= +

Podemos usar a expressão abaixo para calcular este valor:

2 1

2 1

B

V Vr

I I

−=

−

onde V1 e I1 são a tensão e a corrente no joelho e V2 e I2 são a tensão e a corrente em

algum ponto acima do joelho na curva do diodo.

Por exemplo, a folha do 1N4001, fornece uma tensão direta de 0,93 V para uma corrente

de 1,0 A. Como é um diodo de silício, sabemos que no joelho temos uma tensão de 0,7 V

e uma corrente de aproximadamente 0 A. Com isso temos:

2 1

2 1

0,93 0,7 0,230,23

1 0 1B

V Vr

I I

−−= = = =

− −

Máxima Corrente cc direta.

Para garantir que não iremos ultrapassar a corrente máxima, devemos colocar um resistor

para limitar a corrente no diodo, chamamos este resistor de limitador de corrente. Quanto

maior o valor desse resistor, menor a corrente no diodo. Essa resistência vai garantir que

não nos aproximemos da corrente máxima.

A corrente no diodo é dada por

DV Vi

R

−=

onde, V é a tensão da fonte e VD a tensão aplicada ao diodo.

Resistência DC ou estática

A resistência do diodo no ponto de operação pode ser encontrada simplesmente

encontrando-se os valores correspondentes de VD e ID, conforme mostrado na figura

abaixo

Podemos aplicar a equação para obter a resistência do diodo

DD

D

VR

I=

Exemplo #1

Resistência AC ou dinâmica

Quando o sinal de entrada é senoidal invés de ser continuo (DC) temos agora uma

resistência AC ou variável

RD

=VD

ID

=0,5

2´10-3= 250W

RD

=VD

ID

=0,8

20´10-3= 40W

RD

=VD

ID

=10

1´10-6= 10MW

Então temos a resistência calculada por

dd

d

Vr

I

=

Exemplo #2

Podemos calcular a resistência matematicamente da seguinte maneira

Como temos a corrente direta no diodo dada por:

( )/1

11600onde k é definido por

2( )

1(Gemânio)

D KkV T

D SI I e

k

silício

= −

=

=

=

Então:

( ) ( )/1D KkV TD

S D S

d d K

dI d kI e I I

dV dV T = − = +

Como: D SI I

( )DD

d K

dI kI

dV T

Usando o Germânio

11600 11600

1k = =

E na temperatura ambiente:

273 25 273 298K CT T K= + = + =

1160038,93

298K

k

T= =

E portanto, ( )0,026

38,93D DD D

D K D D

dI dVkI I

dV T dI I = =

26D

D

mVr

I=

Se considerarmos agora TODO o cristal semicondutor, temos a resistência do diodo da

seguinte maneira:

26D B

D

mVr r

I = +

Este valor da resistência de corpo ( Br ): 0,1 2Br

Resistência AC média

Se o sinal de entrada for grande o suficiente, podemos calcular esta resistência como:

dav

d p p

Vr

I−

=

Primeira Aproximação: Diodo Ideal.

Na aproximação ideal o diodo funciona como um condutor perfeito (resistência nula)

quando diretamente polarizado e como um perfeito isolante (resistência infinita) quando

reversamente polarizado.

A figura abaixo mostra um diodo ideal

Segunda Aproximação: Simplificado

Desta vez podemos pensar no seguinte dispositivo: uma chave em série com uma barreira

de potencial de 0,7 V. Se a tensão da fonte for de pelo menos 0,7 V, a chave se fecha e

temos corrente.

Terceira Aproximação: Linear

Na terceira aproximação de um diodo, incluímos a resistência do corpo rB. Nesta

aproximação temos o efeito que a resistência do corpo sobre a curva do diodo

Neste caso temos a chave em série com uma bateria e mais uma resistência em série.

Quando a tensão da fonte for maior que 0,7 V, o diodo conduz. A tensão total no diodo é

igual a:

D

a T D D B

a B T D D

V

D T D D

V V I r V

V V V I r

V V I r

− − =

− = +

= +

Para o Silício, temos:

0,7D D DV I r= +

A potência máxima é dada por:

maxD D DP V I=

Exercícios

01) Determine a corrente de diodo a 20oC para um diodo de silício com IS = 50nA e

uma polarização direta aplicada de 0,6V.

02) Determine a corrente de diodo a 100oC para um diodo de silício com IS = 0,50µA

e uma polarização direta aplicada de 0,6V.

ID

= ISe

KVD

TK -1

æ

èçç

ö

ø÷÷

K =11600

2(silício) = 5800

TK

= TC

+ 273 = 20 + 273 = 293k

ID

= ISe

KVD

TK -1

æ

èçç

ö

ø÷÷

= 50´10-9 e5800×0,6

293 -1æ

èç

ö

ø÷ = 7,20mA

03) Determine a corrente de diodo a 20oC para um diodo de silício com IS = 0,1µA e

uma polarização reversa aplicada de -10V.

04) Determine a resistência estática ou dc de um diodo da figura abaixo para uma

corrente direta de 2mA

ID

= ISe

KVD

TK -1

æ

èçç

ö

ø÷÷

K =11600

2(silício) = 5800

TK

= TC

+ 273 = 100 + 273 = 373k

ID

= ISe

KVD

TK -1

æ

èçç

ö

ø÷÷

= 0,5´10-6 e5800×0,6

373 -1æ

èç

ö

ø÷ = 5,6mA

ID

= ISe

KVD

TK -1

æ

èçç

ö

ø÷÷

K =11600

2(silício) = 5800

TK

= TC

+ 273 = 20 + 273 = 293k

ID

= ISe

KVD

TK -1

æ

èçç

ö

ø÷÷

= 0,1´10-6 e5800×0,6

293 -1æ

èç

ö

ø÷ = -100nA

RD

=VD

ID

=0,68

2´10-3= 340W

05) Determine a resistência AC para uma corrente direta de 10 mA para a figura do

exercício 04

06) Calcule a resistência dc para o diodo da figura do exercício 04 em uma corrente

de 10mA, e compare o resultado com a resistência AC do exercício 05.

07) Determine a resistência ac média para o diodo da figura do exercício 04 para uma

região entre 0,6 e 0,9 V.

08) Na figura abaixo, qual é a corrente na carga com um diodo ideal?

rd

=DV

d

DId

=0,88- 0,76

13´10-3 -5´10-3=

0,12

10´10-3= 12W

RD

=VD

ID

=0,84

10´10-3= 84W

RD≫ r

d

rav

=DV

d

DId p- p

=0,9 - 0,6

18´10-3 -1,2´10-3= 17,86W

Figura 01

09) Na figura 01 qual é a corrente usando a segunda aproximação, assumindo um

diodo de silício.

10) Um diodo está em série com uma resistência de 220 Ω. Se a tensão nessa

resistência for de 4 V, qual será a corrente no diodo?

Como a resistência e o diodo estão em série, basta descobrir a corrente que passa

pelo resistor, e ela será a mesma que passa pelo diodo. Para isso iremos apenas usar

a lei de Ohm.

VS

-VT

= IDR

ID

=VS

-VT

R=

15- 0,7

1k= 14,3mA

V = Ri

4 = 220i

i = 18,2mA