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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