INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA PARAÍBA (IFPB)

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL – CAMPUS JOÃO PESSOA

EIXO TECNOLÓGICO: CONTROLE E PROCESSOS INDUSTRIAIS

DISCIPLINA: PROJETO INTEGRADOR ELETROMECÂNICO

PROFESSOR: HENRIQUE

DIODOS SEMICONDUTORES

ALUNA: JADDE CAROLINE SANTOS FERREIRA

MATRÍCULA: 20132450172

JOÃO PESSOA, 10 DE JULHO DE 2015.

Diodos semicondutores

Construção física

O diodo é o mais simples dos dispositivos semicondutores, mas exerce um papel importantíssimo no mundo da eletrônica.

O prefixo “semi” da palavra semicondutor sugere sua caracteristica, pois normalmenteé aplicado a um nível intermediário entre dois limites que são: condutor e isolante. No caso do diodo o fluxo de elétrons circula somente por um sentido. Para que isso ocorra é adicionado alguma substância ao semicondutor para que suas propriedades elétricas soram modificações. A substância que se adiciona no semicondutor é chamada de impureza e esse processo de adição é chamado de dopagem.

Normalmente, é realizada em laboratórios, com o objetivo específico de no interior da estrutura de um cristal uma quantidade correta de uma determinada impureza, para que o cristal se comporte conforme as condições necessárias, em termos elétrico. Os principais cristais semicondutores utilizados são o silício e germânio, e essa dopagem é feita para atribuir ao material certa condutibilidade elétrica. A forma como o cristal irá conduzir a corente elétrica depende do tipo de impureza utilizada e a quantidade aplicada. Através desses fatores, podem ser obtidos pela dopagem de dois tipos de semicondutores o tipo N e o tipo P.

Semicondutor tipo N: É inserido um material que tem elétrons sobrando ao qual é nomeado de elétrons livre. N se refere a cargas negativas.

Semicondutor tipo P: É inserido um material que tem eletróns faltando ao qual é chamado de lacunas. P se refere a cargas positivas.

O diodo é a junção desses dois cristais:

No momento em que são unidos, os elétrons livres e a lacunas se combinam e o excesso de elétrons no material N são atraídos para as lacunas do material P criando um ar de íons, resultando em uma ausencia de portadores na região da junção.Essa região é chamada de camada de depleção:

Essa região fica ionizada e cria-se uma diferença de potencial de aproximadamente 0,7V para os de materias de silício e de 0,3V para os de materias de germânio.

Funcionamento básico do diodo

O funcionamento do diodo é similar uma chave. Se polarizado diretamente funciona como chave fechada, por outro lado se polarizado inversamente funciona como chave berta.Polarizar é aplicar uma tensão elétrica nos seus terminais.

Polarização diretaAcontece quando o potencial positivo é ligado ao material P e o potencial negativo ao material N. Dizemos que nestas condições o diodo está conduzindo, ou seja, ele está funcionando como chave fechada conduzindo a corrente elétrica no circuito.

Polarização inversaAcontece quando o potencial negativo é ligado ao material tipo P e o potencial positivo é ligado ao material tipo N. Dizemos que nestas condições o diodo

está aberto, com uma resistencia altíssima impendindo a passagem de corrente para o circuito.

Especificações técnicas do diodo

Alguns dados são muito importantes na especificação de um diodo, como por exemplo:

Corrente direta máxima (IF): Valor máximo de corrente que poderá passar pelo diodo, quando polarizado diretamente.

Tensão direta (VF): Valor da queda de tensão sobre o diodo semicondutor.

Tensão de ruptura (VR): É a tensão máxima admissível sobre o diodo quando polarizado inversamente, se este valor não for obedecido, o diodo se rompe.

Corrente de fuga (IR): O valor máximo de corrente que pode circular no diodo quando polarizado inversamente, para o valor de tensão de ruptura VR, este valor é na ordem de mili ou nano amperes.

Exemplo de dados do diodo IN4004:

Corrente direta máxima (IF): 1A

Tensão Direta (V F ): 1,3V

Tensão de Ruptura (VR): 400V

Corrente de Fuga (IR): 10 µA Testes funcionais

Há dois testes para verificar o funcionameto de um diodo.

Teste de continuidadeAjustar o multimetro para continuidade e tocar a ponta de prova vermelha ao ânodo do diodoe a ponta de prova preta no cátodo do diodo. Este testé devará soar um barulho mostrando que há continuidade no diodo para este sentido.Ao inverter as ponteiras o multímetro não deverá soar nenhum barulho.

Teste de ResistênciaAjustar o multimetro para leitura de resistência e tocar a pomta de prova vermelha no ânodo e a ponta de prova preta no cátodo do diodo. O medidor deverá ler perto de 0 ohms para uma leitura funcional indicando que não há resistência impedindo de passar a corrente elétrica pelo diodo.Ao inverter as ponteiras o multímetro deverá ler resistencia infinita, ou quase, para uma leitura funcional indicando que o diodo está aberto, ou seja, não deixará passar corrente alguma por ele.

Principais aplicações

Uma das aplicações mais importantes dos diodos é na construção de circuitos retificadores. Os retificadores constituem um dos quatro blocos elementares de uma fonte de tensão CC. São responsáveis por retificar a tensão de entrada AC em uma tensão de saída CC.

Existem 3 tipos básicos de retificadores:

Retificador de meia onda; Retificador de onda completa ; Retificador de onda completa em ponte.

Retificador de meia onda

O circuito mais simples capaz de converter uma corrente alternada em corrente continua é o retificador de meia onda.

Utiliza um transformador, normalmente abaixador, para reduzir o pico da tensão alternada a ser convertida em contínua e em seguida um diodo retificando um semiciclo da tensão alternada que passa para a carga uma tensão contínua pulsante. Quem determina se a tensão na carga é positiva ou negativa é a posição do diodo.Considerando este circuito, para o ponto A um potencial positivo em relação ao ponto B o diodo está polarizado diretamente e conduz e com isto, a corrente circula de A até B passando pelo diodo e pela carga. Para o ponto A um potencial negativo em relação ao ponto B o diodo está polarizado inversamente e não conduz.Tem-se corrente na carga, somente os semiciclos positivos de entrada. Enquanto os semiciclos negativos são barrados no diodo.A frequência de ondulação na saída é igual à freqüência de entrada.

Retificador de onda completa

Nessa retificação o transfomador precisa de uma derivação central para que possa utilizar as duas extremidades do enrolamento.

O diodo superior, D1, retifica o semiciclo positivo da tensão do primário, enquanto o diodo inferior, D2, retifica o semiciclo negativo da tensão do secundário só que invertida.Há uma defasagem de 180º entre as tensões de saída do transformador, VA e VB. As tensões VA e VB são medidas em relação ao ponto C (0V ).Quando A é positivo, B é negativo, a corrente sai de A passa por D1 e RL e chega ao ponto C. Quando A é negativo, B é positivo, a corrente sai de B passa por D2 e RL e chega ao ponto C.Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Temos somente os semiciclos positivos na saída.A tensão na carga é um sinal de onda completa cujo pico é a metade da tensão secundária.A freqüência de ondulação na saída é o dobro da freqüência de entrada.

Retificador de onda completa em ponte

Se usarmos 4 diodos em vez de dois eliminamos a necessidade de usarmos um transformador com derivação central.

Durante o semiciclo positivo da tensão, os diodos D1 e D3 conduzem, o que produz um semiciclo positivo na carga. Durante o semiclico negativo da tensão, os diodos D2 e D4 conduzem, produzindo outro semiciclo positivo na carga. O resultado na saída é um sinal positivo pulsante no resistor de carga com valor de tensão igual ao do secundário.A freqüência de ondulação na saída é o dobro da freqüência de entrada.

Filtragem do sinal retificado

A ondulação na saída do circuito retificador é muito grande o que torna a tensão de saída inadequada para alimentar a maioria dos circuitos eletrônicos. É necessário fazer uma filtragem na tensão de saída do retificador. A filtragem nivela a forma de onda na saída do retificador tornando-a próxima de uma tensão contínua pura que é a tensão da bateria ou da pilha.Uma maneira simples para a filtragem é ligar um capacitor de alta capacitância em paralelo com a carga RL e normalmente, utiliza-se um capacitor eletrolítico.

A função do capacitor é reduzir a ondulação na saída do retificador e quanto maior for o valor deste capacitor menor será a ondulação (ripple) na saída da fonte.

Filtro para capacitor de meia onda

O filtro mais comum é o filtro com capacitor. Para filtrar o circuito de retificação o capacitor é ligado em paralelo a carga.

No semiciclo positivo o diodo conduz e carrega o capacitor com o valor de pico (VP) da tensão. Assim que a tensão de entrada cair a Zero, o diodo pára de conduzir e o capacitor mantém-se carregado e descarrega lentamente em RL. Quando a tensão de entrada fica negativa (semiciclo negativo) o diodo não conduz e o capacitor continua descarregando lentamente em RL. O capacitor recarrega 60 vezes por segundo.O capacitor carrega de Vmin até VP e neste intervalo de tempo (Δt ) o diodo conduz.O capacitor descarregará de VP até Vmin e neste intervalo o diodo não conduzirá.A Forma de onda na saída está mostrada abaixo.O voltímetro de tensão contínua indica o valor médio da tensão medida.Aumentando o capacitor, a tensão de ondulação (Vond) diminui e VCC aumenta.Aumentando a corrente IL, a tensão de ondulação (Vond) aumenta e VCC diminui.Se Vond tende a zero, a tensão de saída tende ao valor de pico.VCC = VP para Vond = 0V).Desligando RL, IL será 0A, o capacitor não descarrega e tem-se Vond = 0V.Para se ter Vond com um valor baixo ao aumentar IL deve-se aumentar o valor do capacitor.

O retificador de meia onda, com filtro a capacitor, é inadequado para alimentar circuitos que exigem um valor alto de corrente, pois além de se utilizar um valor muito alto para o capacitor, o diodo fica sobrecarregado ao conduzir toda a corrente do circuito alimentado.

Filtro a capacitor para retificador de onda completa

Circuito de uma fonte de alimentação com retificação de derivação central

Circuito de uma fonte de alimentação com retificação em ponte

A filtragem para o retificador de onda completa é mais eficiente do que para o retificador de meia onda. Em onda completa o capacitor será recarregado 120 vezes por segundo. O capacitor descarrega durante um tempo menor e com isto a sua tensão permanece próxima de VP até que seja novamente recarregado.Quando a carga RL solicita uma alta corrente é necessário que o retificador seja de onda completa.As equações para onda completa são as mesmas utilizadas para meia onda, no entanto, a freqüência de ondulação para onda completa é de 120 Hz.

VCC = VP – Vond / 2 VCC é o valor médio da tensão contínua na saída.VP é o valor de pico da tensão no capacitor (não foi considerada a queda de tensão nos diodos).Vef é o valor eficaz da tensão de saída do transformador (VAB)Vond = IL / ( f . C) sendo f = 120 Hz para onda completaVond é a tensão de ondulação ou de ripple na saída. Quanto menor Vond, mais próxima de uma tensão contínua será a tensão de saída.IL é a corrente em RLf é a freqüência de ondulação na saída e é igual a 120 Hz para onda completa.C é o valor do capacitor em FARADS ( 2200 μF = 2200 . 10--6 F)Se Vond tende a zero, a tensão de saída tende ao valor de pico.VCC = VP para Vond = 0V .Sem RL, a corrente IL será 0A, o capacitor não descarregará e tem-se Vond = 0V.

Regulação da tensão

Os reguladores de tensão podem ser implementados nos circuitos de retificação com função de estabilizar a tensão na saída eliminando as pequenas variações da tensão na saída após a filtração.Tem-se vários tipos de reguladores de tensão, dentre eles estão os CI’s da série 78XX para tensão positiva e 79XX para tensão negativa. O XX é determinado pelo valor da tensão em que será estabilizado.

Idenificação dos pinos:

Obseva-se que as funções dos pinos 1 e 2 da série 79XX são trocadas em relação à série 78XX:

- Nos reguladores 78XX, o pino 1 é a entrada e o pino 2 é o comum (ligado ao terra).

- Nos reguladores 79XX, o pino 2 é a entrada e o pino 1 é o comum. (ligado ao terra).

- Já o pino 3 é a saída tanto para o 78XX quanto para o 79XX.