aula03

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

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.


( a )	( b )	( c )
Figura 1: Diodo ( a ) aspecto construtivo ( b ) aspecto físico ( b ) símbolo

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.

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.

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.

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.

Figura 4: ( a ) Curva característica do diodo ideal ( b ) circuito equivalente

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.

Figura 5: ( 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.

Figura 6: ( 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. Devemos melhorar o modelo

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.

( a ) ( b )

Figura 7: ( a ) curva característica modelo bateria ( b ) circuitos equivalentes

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.

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. Obs: existem autores que consideram 0,7V ao inves de 0,6V.

Um modelo mais completo considera a resistência dinâmica ou resistência incremental do diodo quando em condução (r_D), isto é, considera que a tensão nos terminais do diodo aumenta linearmente com a acorrente para V>0,6V, Figura 9.

Figura 9: ( a ) curva característica modelo linearizado dois trechos de reta ( b ) circuitos equivalentes

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.

Figura 10: ( 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.

Existem modelos mais completos que esses apresentados? Claro que existem. Os modelos usados para a simulação são muitos mais precisos, e tem mais parametro fazendo que os resultados das simulações sejam próximos dos reais.

O ponto quiescente pode ser determinado através do modelo. Por exemplo, se usarmos o modelo 2 (bateria) a corrente pode ser estimada por:

Figura 11: Determinando o ponto quiescente analiticamente usando o modelo de bateria arquivo Microcap

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

1) Abra o arquivo ExpEG00 Microcap e identifique o circuito da Figura 13. Execute uma analise Dynamic DC e para cada valor de tensão no diodo indicada na tabela I meça a corrente no diodo. Com os dados obtidos levante o grafico de IxV em papel milimetrado ou use uma planilha(Excel)

2) Abra o arquivo ExpEG01.CIR identifique os circuitos da Fig01. Ative-os anotando as correntes e a tensão no diodo para as duas situações indicadas.

Obs: Se aparecer a mensagem "Missing Model statement", basta dar duplo clique no diodo e escolher um dos diodos da lista (Ex: 1N4001).

Polarização direta

I(calc)=_________ I(med)=________

Polarização Reversa

Obs: IS(modelo) é a corrente de fuga quer você obtêm quando dá duplo clique no símbolo 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)

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)

A partir de agora serão apresentadas algumas aplicações básicas com semicondutores usando diodos (junção PN) que é o dispositivo que origina todos os outros dispositivos semicondutores.

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. Esses conversores são constituídos basicamente de transformador (abaixador ou elevador), filtro e regulador. A figura 14 mostra os blocos constituintes de um conversor CA/CC.

( a )

( b )
Figura 14: ( a ) Conversor CA/CC ( b ) partes que compõe um Conversor CA/CC

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 15 que é uma tensão continua de 8V na qual foi adicionada uma tensão senoidal de 1V de pico. A expressão da tensão em função do tempo é dada por:

Figura 15: Exemplificado o ripple – tensão alternada somada a tensão continua

Para a forma de onda da Figura 15 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:

Os circuitos eletrônicos necessitam para o seu perfeito funcionamento que sejam alimentados com tensão contínua. A tensão que temos disponibilizada pela concessionária de força e luz é alternada, desta forma será necessário converter a tensão AC em tensão DC. Os circuitos que fazem isso são chamados de retificadores que juntamente com os filtros e reguladores de tensão permitem que uma tensão alternada seja convertida em uma tensão continua.
No circuito da Figura 16a, 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.


( a )	( b )

( c )	( d )
Figura 16: ( a ) Circuito retificador de meia onda - ( b ) Circuito equivalente no semi ciclo positivo - (c ) Circuito equivalente no semi ciclo negativo - ( d ) Forma de onda na carga considerando diodo ideal.

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

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

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 17 a seguir mostra esse efeito. Neste caso no calculo da tensão media e eficaz deve ser descontado 0,7V no valor de pico da tensão na carga.

Figura 17: Formas de onda de entrada e saída quando a entrada é da ordem de grandeza da barreira de potencial

onde I_AV (Average Forward Rectified Current - corrente media direta) é um dado obtido de manual.

A seguir, na tabela 2, 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.

Exercício resolvido: Considere que no circuito a tensão secundaria é 12V, e a carga é de 100 Ohms. Dimensione o diodo.

A máxima tensão reversa no diodo é 17V, portanto pode ser usado qualquer um dos diodos da tabela II, pois I_AV=1A >I_CC=51,9mA e V_RRM=50V (mínimo)>17V

1) Abra o arquivo ExpEG02 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).

Obs: Se aparecer a mensagem "Missing Model statement", basta dar duplo clique no diodo e escolher um dos diodos da lista (1N4001).

Figura 18: Circuito retificador de meia onda para experiência 2

VD(mV)	300	400	500	550	580	600	630	660	700	730	750	780	800
ID(mA)

Valores Calculados		Valores Medidos
VDC	IDC	VDC	IDC