Fundamentos de Electr

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Fundamentos de Electrónica

• Díodos

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Roteiro

• O Díodo ideal
• Noções sobre o funcionamento do Diodo
  semicondutor
• Equações aos terminais
• Modelo de pequenos sinais

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O Díodo Ideal

• Um díodo consiste num dispositivo capaz de
  permitir a passagem de corrente num sentido e
  impedir no sentido oposto.

Símbolo do díodo
Característica do díodo
Id
cátodo
ânodo

-
Vd
Vd
corrente
Id
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Modelo simplificado
Vd
Id
0,7V

• Devido ao carácter exponencial da característica
  do Diodo Vd pode ser bem aproximado por 0.7V para
  um grande gama de valores de Is e correntes.
• A resistência rd assume normalmente valores
  reduzidos

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Rectificador de corrente
Nota a massa na saída não é igual á massa na
entrada
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Fonte linear
D1
R1
R2
D3
0.5ohm
100ohm
C1
R3
T1
200uF
500ohm
311.13V 50Hz
V1
Ajuste final num programa de simulação
220 V rms
261
D2
Fonte com tensão DC de 5V e capaz de fornecer
25mV de corrente. Diodo de Zener tem 10? para
Iz20mA que necessita de uma corrente de cerca de
5mA para funcionar correctamente. Escolhendo uma
tensão de pico no secundário de 12V de forma a
distribuir cerca de 3V para oscilação no
condensador, 3V para queda de tensão na
resistência, e 1 V de queda de tensão nos diodos
temos C1 I ?t / V (25mA5mA) / 50 Hz / 3 V
200uF A resistência R2 deve ser suficientemente
pequena para fornecer os 30mA à carga mas deve
limitar ao máximo a corrente no zener (a 30mA)
quando a carga é de impedância elevada e a tensão
no condensador toma valores máximos, para limitar
a potencia dissipado por este, ou seja devemos
ter R23V/ 30mA 100 ?. Mas este assunto não é
inteiramente desta cadeira.

A resistência R2 é responsável por perdas na
fonte.
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Fonte comutada
Um exemplo muito simples de uma fonte comutada
(conversor AC/DC). Sempre que o a tensão em C2
baixe dos 5V J1 liga e desliga quando subir acima
dos 5V. O interruptor liga e desliga com uma
frequência elevada de forma a manter uma tensão
continua de 5V na saída.
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Aplicações
Porta OR
Porta AND
Circuitos limitadores Multiplicador de
tensão Formatador de Seno etc
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A Junção p-n

• Junção p-n
• É uma aproximação do diodo real.
• Constituída pela junção de dois materiais
  semicondutores, tipo-p e tipo-n.

Semicondutor tipo-n
Semicondutor tipo-p
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A junção p-n em equilíbrio termodinâmico

• A junção dos dois semicondutores produz uma
  corrente de difusão de electrões livres e de
  lacunas de tal forma que se forma uma barreira de
  potencial.

Região de depleção
E
V
-
-


p
n
-

-

Diferença de potencial, V lt 0
ND
NA
0
Campo eléctrico (E)
x
Potencial (V)
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A junção p-n em equilíbrio termodinâmico
0
Campo eléctrico (E)
x
Potencial (V)
-
Carga
0

x
Escala logarítmica
n
p
Região de depleção - W
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Região de depleção

• Devido à recombinação entre electrões e livres e
  lacunas existe uma região em que a concentração
  destes está bastante abaixo do restante
• Região de depleção
• ou região de transição

E
Região de depleção
V
-
-


p
n
-

-

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Junção polarizada inversamente

• Polarização inversa

-

• Provoca o alargamento da região de depleção e o
  aumento da barreira de potencial, até bloquear a
  passagem da corrente.
• Funciona como um condensador cuja carga é
  armazenada na região de depleção.

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Junção polarizada directamente

• Polarização directa

-

• Provoca o estreitamento da região de depleção e a
  diminuição da barreira de potencial. Facilita a
  passagem da corrente.

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Equações aos terminais
Vd0,7V
Tempo de vida médio
Comprimento de difusão
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Região de disrupção

• Se a tensão inversa aplicada a um díodo for muito
  forte dá-se um fenómeno de disrupção, segundo o
  qual o díodo passa a conduzir. Existem dois
  efeitos que podem dar origem á disrupção
• Efeito de Zener
• O campo eléctrico é suficientemente forte para
  gerar pares electrão buraco na região de
  depleção. Resulta em díodos com esta região bem
  definida.
• Efeito de Avalanche
• A energia cinética dos portadores minoritários
  sobe a influência do campo eléctrico é suficiente
  elevada para quebrar as ligações covalentes.

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Sensibilidade à temperatura

• Vbe varia cerca de -2mV/Cº para valores
  semelhantes de Ic.

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Característica do Díodo(com zona de disrupção)
Id
Tensão de Disrupção (Vz)
0.7V
Vd
Disrupção
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A capacidade da junção(em polarização inversa)

• Largura variável da região de depleção

• A carga armazenada não é proporcional à tensão.
  De facto a tensão aumenta aproximadamente com o
  quadrado da carga.

Para pequenos sinais
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Modelo de pequenos sinais
Desde que
Id
id(t)
Vd
vd(t)
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Modelo de pequenos sinais
Fórmula de Taylor
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Análise de pequenos sinais (CA)

• Passos
• Análise de grande sinais (CC- corrente continua)
  para calcular o Ponto de Funcionamento em
  Repouso, PFR (Id)
• Cálculo dos parâmetros do modelos de pequenos
  sinais, rd.
• Análise de pequenos sinais
• Anular as componentes de CC das fontes, ou seja
  remover as fontes de corrente e curto circuitar
  as fontes de tensão.
• Substituir os componentes não lineares pelos seus
  equivalente lineares para pequenos sinais
• Fazer uma análise do circuito resultante
• Opcional somar as componentes de pequenos sinais
  (CA) com as componentes CC.

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Modelo de alta-frequência

• Capacidade da junção
• Capacidade de difusão

Polarização inversa
Polarização directa
Carga armazenada
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Circuitos limitadores
Circuito de clamping
Duplicador de tensão
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Díodos especiais

• Schottky-barrier díodo
• Metal semicondutor tipo n
• Para dopagem elevada não se produz díodo
  (contactos ohmicos)
• Vd de 0.3 a 0.5V
• Muito utilizado em circuitos de Arseneto de Gálio
  (As-Ga)
• Varactors
• Condensadores variáveis, coeficiente m3, 4
• Photodiodes
• Díodo polarizado inversamente
• Fotões incidentes na região de depleção geram
  pares electrão lacunas que transportam corrente
  (sensores de luminancia)
• Polarização directa corresponde às células
  solares
• LEDs
• A recombinação de pares electrões lacunas gera
  fotões
• Ledphotodiodo isolador óptico

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Modelo SPICE
Corrente de Saturação IS 10e-14 A
Coeficiente de emissão N 1
Resistência ohmica RS 0
Tensão intrinseca VJ 1 V
Capacidade da junção com polarização nula CJ0 0 F
Coeficiente de gradiente M 0,5
Tempo de transito TT 0s
Tensão de disrupção BV inf
Corrente inversa na saturação IBV 1e-10A
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Lei da junção
O aumento da energia potencial das lacunas (com o
aumento do potencial) implica uma diminuição da
energia cinética destas e a diminuição do número
de lacunas
n
p
Região de depleção - W
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Cálculo da corrente aos terminais

• No fim da região de depleção temos

Região de depleção
e
0
Como nesta zona só existe corrente de difusão (o
campo eléctrico é nulo), temos que a componente
da corrente devida às lacuna é dada por
Como a corrente de electrões ou de lacunas é
aproximadamente constante ao longo da junção,
juntando a corrente devida aos electrões livres
fica
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Cálculo da corrente aos terminais

• Notas
• Em regime estacionário (equilíbrio termodinâmico)
  temos
• Vd0 e v(0)0V e portanto pn(0)pn0
• Aplicar uma tensão aos terminais do díodo provoca
  uma diminuição de v(x) relativamente ao que se
  passa para a junção em equilíbrio termodinâmico,
  resultando v(0)-Vd o que provoca um aumento de
  pn(0).
• O campo eléctrico no exterior da junção é pequeno
  mas não será nulo devido à igualdade dos
  integrais de linha do campo pelo interior e pelo
  exterior da junção.