eletrônica diodo 01 cin-uppe polarização direta (foward) polarização direta (reverse) ruptura...
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EletrônicaDiodo 01CIN-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 .
Resitência no diodo Resistência estática (CC)
Em um dado circuito a resistência é dada pela lei de Ohm:R = Vd/Id
Esta 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 b) Id = 20 mA; Vd = 0.7 V; Rd = 35 Polarização reversa: c) Vd = – 10V, Id =10 A; Rd = 10 M
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 = 1K
diodo10V Vd
Vdc (V)
Id(mA)
a) Id = 10V/ 1K = 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 <0Fechado 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 V Aberto V <0,7 VFechado V >0,7 V
Aberto V <0,0 VFechado 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 <0Fechado V >0
rBrB
V = 0,7 V (barreira de potencial)
=0,7V
Aberto V <0,7Fechado 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.
Diodoretificador1N4001
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 transformadorN1 = 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)
=t 2
Vp
=t 2
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/ 2. V(t)2dt)1/2
0
2 0
Vrms =(1/ 2. 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
RLV1 = 120VVdc =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 ) Vdc = (1/T)V(t)dt , T=2 , para meia onda:
Vdc=(1/T) Vp sen(wt). dt = Vp/ = 0,318 Vp .
Assim, Vdc = 0,318.(34)V = 10,8 VFreqüência: 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 /) =
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/) = 0,636 Vp = 10,4VA 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/) = /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 VConsiderando os dois diodos em série, temos que a tensão de pico na carga é dada por Vp – 2.(0.7) = 32,6 VVantagens deste modelo:1. saída em onda completa2. Tensão ideal de pico igual a tensão de pico no secundário3. 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/) = /2
34V
Tensão de ondulação
Tr = tensão de ondulação (ripple)(pico a pico)Tp = tempo entre picos na tensão de saída
Funcionamento: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 V0 V0
Em t = 2RC 0,86V0
A voltagem entre os tempos T1 e T2 se comportacomo 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 ondaVr(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 F, a corrente de surto é geralmente muita rápida para danificar o diodo.
• Se o capacitor for superior a 1.000 F, 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 capacitivo2. 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 - DCVp(pp) < 0.5% Vmax