Eletrônica Básica
Aula03: Diodo de Junção - Retificador de Meia Onda
Bibliografia: Microeletrônica - Vol.1 Sedra e Smith e Eletrônica Vol 1 - Malvino

Diodo  de Junção

Um diodo  é um dispositivo construído a partir de uma junção PN, portanto  deixará que  a corrente passe somente num único sentido quando adequadamente polarizado (polarização direta), bloqueando a corrente quando a polaridade da tensão inverter (polarização reversa). 
Obs: Não iremos detalhar a parte física do diodo, ficando  a seu critério buscar essas informações  na bibliografia que  adotada. 
A Fig01  mostra  o diodo com a indicação dos dois terminais , anodo(A) e catodo (K), o simbolo, e o diodo  em polarização direta e polarização reversa bem como aspecto fisico de diodos comerciais.

Diodo Polarizado Diretamente .

Para o diodo conduzir, mesmo em polarização  direta, é necessário que a tensão da bateria seja de pelo menos 0,7V (para vencer a barreira de potencial). Em condução um diodo apresenta uma  queda de tensão de aproximadamente 0,7V( diodo de Si). No circuito a seguir a  corrente no circuito é de   aproximadamente  11,3mA.

Fig02: Circuito com o diodo polarizado diretamente

Diodo Polarizado Reversamente  

Com polarização reversa a corrente  no diodo  será muito baixa (da ordem de nA para diodos de Si), de forma que do ponto de vista prático   será zero. Esta corrente reversa também chamada de corrente de fuga só depende  de aspectos  construtivos (dopagem) e da temperatura (dobra de valor para cada 10 graus de aumento na temperatura). Observe que  quando polarizado reversamente toda a tensão da fonte cairá entre os terminais do diodo, que deverá ter capacidade para  suportar essa tensão reversa, caso contrário pode ocorrer um fenômeno chamado de  avalanche o que pode levar à destruição do diodo.

Clique no circuito para obter o ARQUIVO

Fig03: Circuito com o diodo polarizado reversamente

Modelos (Circuitos Equivalentes) para o Diodo

Modelar um  dispositivo eletrônico, é usar componentes básicos tais como resistências, fontes de tensão. fontes  de corrente e  capacitâncias para representa-lo, permitindo desta forma que possamos usar as leis de circuito para estuda-lo. O construtor de um simulador modela um componente eletrônico a partir das informações fornecidas pelo fabricante do componente, desta forma ao simular um circuito os resultados serão semelhantes aos obtidos em um circuito real. 

Modelo 1 - Diodo Ideal

O modelo mais simples do diodo considera-o como sendo uma chave que é controlada pela tensão aplicada no diodo. Se a tensão é positiva a chave fecha, se é negativa a chave abre. O diodo se comporta de forma ideal.

A figura a seguir mostra a curva caracteristica

Fig04: Curva característica do diodo ideal

A figura a seguir mostra dois circuitos, com diodo e com a chave fechada representando o diodo. Como podemos notar existe uma diferença entre as duas medidas, mas o erro pode ser desprezado.

                                     ( a )                                                                       ( b )

Fig05: ( a ) Circuito com diodo  ( b ) circuito com o modelo simplificado (chave fechada)     Arquivo MicroCap

A pergunta que fica é: Podemos usar esse modelo sempre? Vamos responde-la considerando outro exemplo. Consideremos que a bateria do circuito da figura5 muda de valor, passando a valer1,5V. Resulta o circuito da figura6.

                                ( a )                                                              ( b )

Fig06: ( a ) Circuito com diodo  ( b ) circuito com o modelo simplificado é inadequado   Arquivo MicroCap

Observe que neste caso o erro entre as duas corrente é de aproximadamente 100% . Neste caso não podemos mais usar o modelo da chave fechada para representar o diodo. devenos melhorar o modelo

Modelo 2 - Bateria

O modelo anterior pode ser melhorado considerando-se que ao conduzir o diodo pode ser substituido por uma bateria de 0,6V. Se a tensão aplicada no diodo for maior que 0,6V o diodo será substituido por uma bateria de o,6V. Para uma tensão menor que 0,6V o diodo será um circuito aberto.

Fig07: Modelo que considera a barreira de potencial

A figura a seguir mostra as medidas em um circuito com diodo e no circuito equivalente com a bateria de 0,6V substituindo o diodo.

                                ( a )                                                               ( b )

Fig08: ( a ) Circuito com diodo  ( b ) circuito com o modelo com bateria    Arquivo MicroCap

Como podemos observar os valores são muito próximos. O modelo anterior pode ser melhorado mais ainda se substituirmos o diodo por uma bateria em serie com uma resistência (resistência CC do corpo do diodo) para v>0,6V.

Modelo 3 - Bateria e Resistência (modelo linearizado por trechos de retas)

A figura a seguir mostra a curva característica linearizada por dois trechos de reta.

Fig09: Linearização da curva característica

A figura a seguir mostra as medidas em um circuito com diodo e no circuito equivalente com a bateria de 0,6V em serie com uma resistência de 50 Ohms substituindo o diodo.

Fig10: ( a ) Circuito com diodo  ( b ) circuito com o modelo linearizado por trechos de reta  Arquivo MicroCap

Observar que os resultados são muito próximos, desta forma o modelo a a ser adotado depende dos valores da bateria e da resistência do circuito. Se a tensão da fonte for muito maior do que 0,6V  podemos usar o modelo simplificado, caso contrario deve ser usado o penúltimo ou o ultimo modelo.

Determinação do Ponto Quiescente usando o Modelo

O ponto quiescente pode ser determinado através do modelo.

Por exemplo, se usarmos o modelo 2 (bateria) a corrente pode ser estimada por:

Fig11:  Determinando o ponto quiescente analiticamente  usando o modelo de bateria  arquivo Microcap

Determinação do Ponto Quiescente Através da Analise Gráfica

 O ponto quiescente pode ser determinado graficamente se a curva característica for conhecida. Na figura 11 a equação do circuito é:

           ( a  )                 ( b )

Fig12:  ( a ) Determinando graficamente o ponto quiescente  ( b ) detalhe

Experiência 01 - Diodo (Inicio)

1)  Abra o arquivo   ExpEG01 Microcap8     ou ExpEG01 Multisim2001   ou   ExpEG01 Multisim9  identifique os circuitos da Fig01. Ative-os anotando as correntes  e a tensão no diodo para as duas situações indicadas.

Polarização direta

I(calc)=_________   I(med)=________

Polarização Reversa

IS(modelo)=_________   IS(Med)=________

Obs: IS(modelo) é a corrente de fuga quer você obtêm quando dá duplo clique no simbolo do diodo e entra no modelo.

1.1) Os arquivos a seguir são dois circuitos onde a fonte de alimentação (1,5V) é da mesma ordem de grandeza da tensão de condução do diodo (0,6V)

Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8 - Modelo Simplificado

Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8 - Modelo com Bateria

Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8 - Modelo com Bateria e Resistencia (modelo linearizado)

1.2.) Os arquivos a seguir são dois circuitos onde a fonte de alimentação (100V) é muito maior do que a tensão de condução do diodo (0,6V)

Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8 - Modelo Simplificado

Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8 - Modelo com Bateria

Clique aqui para obter o arquivo MicroCap8 - Modelo com Bateria e Resistência (modelo linearizado

2) Qual a sua conclusão ? 

Aplicações Básicas de Semicondutores

Retificadores

A maioria dos circuitos eletrônicos (celulares, videogames, rádios, TV,etc) necessita para o seu bom funcionamento que sejam alimentados com tensão continua (CC), e como a tensão disponível nas tomadas é alternada (CA), será necessário converter essa tensão CA em tensão CC. A fonte de alimentação CC completa consiste de um conversor CA/CC, também chamado de retificador, de filtro e por ultimo de regulador.

Teoricamente a tensão na saída deve ser perfeitamente continua , mas na pratica existe uma ondulação ou riplle. Uma medida da eficiência desses circuitos é dada pelo fator de ripple (γ) definido como sendo:

Para exemplificar consideremos  a forma de onda da  figura 13 que é uma tensão continua de 8V na qual foi adicionada  uma tensão senoidal de 1V de pico (V=8+1.sen(ω.t)).

Figura 13:Exemplificado o ripple

  Para a forma de onda da figura 13 o ripple tem 1V de pico e 0,707V de valor eficaz como a tensão media (continua) vale 8V o fato de ripple vale:

Além do fator de ripple existem  outros parâmetros para caracterizar uma fonte de alimentação:

Eficiência (η)

Fator de Forma (FF)

Fator de Pico (FP)

Retificador de Meia Onda

Em um retificador de meia onda somente o semi ciclo positivo aparece na carga, figura 13a. O secundário do transformador na figura 13A fornece uma tensão senoidal de valor de pico igual a V_ep.   Quando a tensão de entrada for maior do que 0,7V o diodo conduz e a tensão na carga será igual a  V_e - 0,7V. Quando a tensão de entrada for negativa o diodo corta (circuito aberto) e a tensão na carga será igual a zero. As figuras 2.1b, 2.1b e 2.1c representam respectivamente a forma de onda no secundário, na carga e no diodo.

No circuito da Fig13a, no semiciclo positivo o diodo estará polarizado diretamente e, numa primeira aproximação, se comportará como  uma chave fechada.  portanto toda a tensão da fonte estará aplicada  na carga. No semiciclo negativo o diodo estará polarizado reversamente, portanto o diodo estará cortado, se comportando como uma chave aberta.

Observe  que o diodo só conduz quando  a tensão de entrada é positiva (semiciclo positivo), pois  nessas condições o diodo estará polarizado diretamente. Para a forma de onda da saída   interessa saber o seu valor médio (valor contínuo - valor medido por um voltímetro para CC). Se o valor de pico da senóide (vide  curso de CA)  de entrada é V_M, o valor médio  da tensão na carga será dado por:  
                             
V_DC=V_pico/π

A tensão média (V_DC ) é a tensão medida por um voltímetro CC.

Para essa mesma forma de onda o seu valor eficaz (tensão medida por um voltimetro True RMS) é dada por:

V_RMS  =V_p/2

Se a amplitude da senoide for da ordem de grandeza da barreira de potencial a tensão na carga não começa no mesmo instante que a tensão de entrada, alem disso as amplitudes das duas tensões serão visivelmente diferentes. A figura a seguir mostra esse efeito. Neste caso no calculo ca tensão media e eficaz deve ser descontado 0,7V no valor de pico da tensão na carga.

Fig14:  Formas de onda  de entrada e saída quando a entrada é da ordem de grandeza da barreira de potencial

O fator de ripple do circuito vale 1,21 ou 121%

A seguir alguns dos dados obtidos de um manual de diodo que podem ser úteis no projeto de uma fonte de alimentação, lembrando que para maiores informações procurar o manual completo.

Tabela I: Alguns valores limites para um diodo comercial

Por exemplo: Considere que no circuito da  figura 13a    a  tensão secundaria é 12V, e a carga é de 100 Ohms.

Para essa tensão o valor de pico vale: V_ep=12x1,41=17V

A tensão media na carga valerá: 

A corrente media na carga valerá:

Pode ser usado qualquer um dos diodos da tabela I, pois I_AV=1A>I_CC=26mA e

V_RRM=50V (mínimo)>17V

Experiência02 - Retificador de Meia Onda

1) Abra o arquivo  ExpEG02 MicroCap8      ExpEG02 Multisim2001      e identifique o circuito da figura a seguir. Ative o circuito e anote as formas de onda de entrada e na carga (1K) e os valores da tensão média (VDC) na carga e da corrente média (IDC) na carga. Compare com os valores teóricos (calculados).

Tabela I

2) Conclusões: