12.1. semicondutores. 12. Electrónica díodos

Transcrição

1 2. Electrónica 2.. díodos O díodo é um dispositivo electrónico não linear, fundamental na electrónica moderna (a corrente não varia linearmente com a diferença de potencial) Importante em muitas aplicações Por exemplo, um transístor aplica princípios de funcionamento dos díodos semicondutores Semicondutores são materiais sólidos cristalinos de conductividade eléctrica intermédia entre os condutores e os isoladores Os elementos semicondutores podem ser dopados com impurezas para controlar a sua conductividade São importantes na fabricação de componentes electrónicas, tais como díodos, transístores e outros dispositivos mais complexos como circuitos integrados, microprocessadores e células solares (fundamentais na indústria electrónica) A corrente é transmitida quer pelos electrões livres (material tipo n) quer por lacunas (material tipo p) 2.2 Materiais semicondutores intrínsecos mais comuns: germânio e silício Possuem uma camada de valência com 4 electrões Quando os átomos de germânio (ou silício) se agrupam entre si, formam uma estrutura cristalina (estrutura ordenada): cada átomo une-se a quatro outros átomos vizinhos, por meio de ligações covalentes, e cada um dos quatro electrões de valência de um átomo é compartilhado com um átomo vizinho (dois átomos adjacentes compartilham dois electrões) 2.3 Juntando impurezas pentavalentes (como o fósforo ou o antimónio) a um semicondutor intrínseco ele torna-se do tipo n (mais electrões do que lacunas) Se as impurezas forem trivalentes (como o alumínio ou o gálio) ele torna-se do tipo p (mais lacunas do que electrões) 2.4

2 Junção p-n Polarização da junção p-n Directa Inversa Díodo Componente passivo não linear: a função I() não é uma recta Curva característica do díodo Díodo Ideal D 0,7 RI D arccot R Diferentes tecnologias: díodos de junção de semicondutor (2 materiais semicondutores diferentes) díodos barreira Schottky metal-semicondutor Díodo real Aproximação prática díodos termoiónicos (efeito termoiónico, só alta tensão) i 2

3 Díodo ideal e díodo real Um díodo deixa passar a corrente preferencialmente num sentido, filtra a corrente inversa i Silício: 0,6 Germânio: 0,3 Díodo real A corrente inversa do díodo é fortemente dependente da temperatura (factor de 2 a cada 0 o C) A tensão i também varia com a temperatura d i 2,5 m / C para o Si Cuidados a ter: corrente de condução máxima: se fôr ultrapassada o excesso de temperatura da junção destrói o díodo tensão de polarização inversa máxima: se fôr ultrapassada haverá disrupção na junção (breakdown), passa a conduzir corrente 0 dt Determinação do ponto de funcionamento dum díodo (par -I) Determinação da corrente eléctrica que percorre o díodo num dado circuito Corrente e tensão alternada Fonte de tensão RI DD d d I f ( ) 2. aria periodicamente (período=inverso da frequência) 2.2 d d Fonte de tensão alternada: diferença de potencial nos seus extremos varia com o tempo segundo uma função periódica (sinusóidal=seno) Não é constante, nem tem sempre o mesmo sinal 3

4 Corrente e tensão alternada Transformador Dispositivo que transmite energia eléctrica de um circuito para outro: transforma tensão e corrente Funciona segundo as leis de Faraday e Lenz Consiste em dois ou mais enrolamentos e um "caminho", ou circuito magnético, que "acopla" essas bobinas (ferro laminado) Nos transformadores de dois enrolamentos, estes chamam-se primário e secundário Nas tomadas temos, normalmente, tensão de 220 com frequência de 50 Hz Mas muitos aparelhos eléctricos e electrónicos necessitam de corrente contínua: necessidade de transformação e de alisamento da tensão e corrente alternada Transformador A passagem de corrente no enrolamento primário gera um campo magnético; como a corrente é variável, induz uma f.e.m. no enrolamento secundário d B p N p dt d N s s dt s p B N s N p N s > N p : tensão no secundário maior do que no primário transmissão de potência eléctrica a perda de potência eléctrica pode ser muito reduzida se for transportada em alta tensão N s < N p : tensão no secundário menor do que no primário

5 exemplo: linhas de transmissão Em média é produzida 20 kw de potência eléctrica numa central eléctrica. As linhas de transmissão têm uma resistência total de 0,40. Calcular a perda de potência, se ela for enviada em a) 240, e b) 24,000. Circuitos com díodos Rectificador de meia onda (a) (b) I PL I PL P I R (500A) (0.40 ) P I R W 2 500A W 4 5.0A (5.0A) (0.40 ) % de perda!! 00 kw 0,0083% de perda 0 W 2.7 Como num díodo a corrente passa quase exclusivamente apenas num sentido, então apenas a parte positiva da onda de entrada é que aparece à saída (a parte negativa é cortada) 2.8 Colocando um condensador em paralelo com a resistência de carga permite alisar a onda Isto ocorre devido à sucessiva carga do condensador quando passa corrente no díodo e a sua descarga quando não passa Ripple Ripple é a diferença entre o máximo e o mínimo de tensão (menos ripple=mais lisa ) alores normais da tensão de ripple: entre % e 5% do valor do pico corrente 5

6 Rectificação Cálculo do valor de C: Se ripple fôr pequeno, a corrente de carga é praticamente constante dq d I I C então t dt dt C R v v v v v 0 S D0 S D0 R rd Circuito equivalente t será um pouco inferior a /f (ou /2f se utilizarmos rectificação de onda completa) I I (onda completa) C 2fC 2f Então: load load pretendido 2.2 Característica de transferência Formas de onda de entrada e saída 2.22 Circuitos com díodos Rectificador de onda completa Para aproveitar a onda completa, diminuindo as perdas e o ripple, utiliza-se uma ponte de díodos Existe sempre um caminho livre para a corrente que passa em R 2.23 Ponte de díodos

7 Circuitos com díodos Rectificador de onda completa Circuitos limitadores básicos Circuitos com díodos Circuito limitador D2 Semiciclo + quando i 0,7 D ON se 5 L 0,7 5,7 Semiciclo - quando i ( 2 0,7) D2 ON se 2 8 L ( 2 0,7) 8,7 O ramo D+ é um limitador positivo enquanto o ramo D2+2 é um limitador negativo 2.27 Circuitos com díodos Portas lógicas As portas lógicas são a base de todo o cálculo automático Numa porta OR o sinal à saída é (+5) se pelo menos uma das entradas fôr (+5 ) Numa porta AND o sinal à saída é (+5) apenas se ambas as entradas forem (+5 ), senão é 0 (0 )

8 Outros tipos de díodos Díodo Zener É polarizado inversamente e é utilizado como tensão de referência É um díodo regulador de tensão Díodo Zener A tensão de zener ( z ) é termicamente muito estável d z 5 ppm / o C dt Existem zeners entre os 3 e os 30 (a zona de maior estabilidade é 6,3) z também depende da corrente Díodo Zener Circuitos com díodos Fonte de alimentação contínua a partir de corrente alterna, recorrendo a díodos zener R L R Os valores R e R L são condicionados pelas I z,máx e I z,min : I z z, máx valor mínimo para R (quando R ) R z L R valor máximo para R (se z IL I z,min RL R L díodo fora da região zener)

9 Problema típico com díodo Zener No circuito da figura, se =5, Z =5, R =750, R 2 =450, R 3 =250, determinar a corrente no díodo. I =I 2 +I D - +R I +R 2 I 2 =0 -R 2 I 2 +R 3 I D + Z =0 Díodo emissor de luz (LED) A recombinação de electrões e lacunas na junção p-n produz fotões (=luz) Emissão de luz quase monocromática Corrente ~ 0 ma, ~2 Actualmente há LEDs vermelhos, verdes, laranja e infravermelhos (e os primeiros no azul e no ultravioleta) I D =0,02A Circuito de alimentação de um LED Díodo laser Produz luz coerente (com a mesma fase), usando uma cavidade ressonante espelhada Luz muito intensa, focada e monocromática Curvas características I() Indicador de 7 segmentos

10 Fotodíodo Efeito físico inverso ao LED: luz cria pares electrões-lacuna na junção p-n Em geral LEDs podem ser usados como fotodíodos com as modificações adequadas A corrente eléctrica é proporcional à luz recebida (detector de luz) Díodo varactor Tem uma capacidade de junção elevada que depende fortemente da tensão inversa (capacidade controlável) Usado em circuitos de sintonia automática e de desmodulação de frequência Díodo túnel Característica -I não monótona 3 pontos de funcionamento possíveis O ponto B é instável: o díodo, em cada instante, tem o ponto de funcionamento em A ou em C (utilização como elemento oscilador)

11 Circuitos com díodos podem ser simulados utilizando o programa disponível em 2.4