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.
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| ( a ) | ( b ) | ( c ) |
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Figura 1: Diodo ( a ) aspecto construtivo ( b ) aspecto físico ( b ) símbolo |
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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.
Figura 2: 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
Figura 3: 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

( a ) ( b )
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.

( a ) ( b )
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.

( a ) ( b )
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
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.

( 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.
( 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. Obs: existem autores que consideram 0,7V ao inves de 0,6V.
Modelo 3 - Bateria e Resistência (modelo linearizado por trechos de retas)
Um modelo mais completo considera a resistência dinâmica ou resistência incremental do diodo quando em condução (rD), isto é, considera que a tensão nos terminais do diodo aumenta linearmente com a acorrente para V>0,6V, Figura 9.

( a )
( b )
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.
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:

Figura 11: 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:
Figura 12: ( a ) Determinando graficamente o ponto quiescente ( b ) detalhe
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)

Figura 13: circuito para desenhar a curva característica
Tabela 1: Curva característica do diodo - obtendo os dados
| VD(mV) | 300 | 400 | 500 | 550 | 580 | 600 | 630 | 660 | 700 | 730 | 750 | 780 | 800 |
| ID(mA) |
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.
Clique aqui para aprender a usar o Microcap Curso MicroCap
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
IS(modelo)=_________ IS(Med)=________
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)
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 Diodos
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:
v(t)=8+1.sen(ω.t)

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.
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( a ) |
( b ) |
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( 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. |
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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 VM, o valor médio da tensão na carga
será dado por:
VDC=Vpico/π
A tensão média (VDC ) 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:
VRMS =Vp/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 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
Para garantir a integridade do diodo deve ser verificada a condição:
onde IAV (Average Forward Rectified Current - corrente media direta) é um dado obtido de manual.
O fator de ripple do circuito vale 1,21 ou 121%
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.
Tabela 2: Alguns valores
limites para um diodo comercial

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

Solução: Para essa tensão o valor de pico vale: Vep=12x1,41=17V
A tensão media na carga vale:

A corrente media na carga vale:

A máxima tensão reversa no diodo é 17V, portanto pode ser usado qualquer um dos diodos da tabela II, pois IAV=1A >ICC=51,9mA e VRRM=50V (mínimo)>17V
Experiência02 - Retificador de Meia Onda
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).
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Figura 18: Circuito retificador de meia onda para experiência 2 |
Tabela 3: retificador meia onda - valores medidos e calculados
Valores
Calculados |
Valores
Medidos |
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VDC |
IDC |
VDC |
IDC |
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2) Escreva as suas conclusões: