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 ) |
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( d ) |
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Fig01: ( a ) Aspectos construtivos ( b ) Símbolo ) ( c ) Diodo polarizado diretamente - ( d ) Diodo polarizado reversamente ( e ) exemplos de diodos comerciais |
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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.
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:
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)
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 Vep. Quando a tensão de entrada for maior do que 0,7V o diodo conduz e a tensão na carga será igual a Ve - 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.
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( a ) |
( b ) |
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( c ) |
( d ) |
Fig13: ( 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 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
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MAXUMUM RATINGS AND ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Caracteristicas Elétricas e máximos limites) |
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SYMBOLS |
1N4001 |
1N4002 |
1N4003 |
UNITS |
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Maximum Recurrent
Peak Reverse Voltage |
VRRM |
50 |
100 |
200 |
V |
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Maximum
Average Forward Rectified Current |
IAV |
1,0 |
A |
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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: Vep=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 IAV=1A>ICC=26mA e
VRRM=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).
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Fig15: Circuito retificador de meia onda |
Tabela I
Valores
Calculados |
Valores
Medidos |
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VDC |
IDC |
VDC |
IDC |
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2) Conclusões: