Eletrônica Analógica - Unidade 1: Física de Semicondutores, Diodos e Retificadores

15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 130 Autoria Sofia Maria Amorim Falco Rodrigues Revisão técnica Anderson Marcolino Pereira de Oliveira Eletrônica analógica UNIDADE 1 FÍSICA DE SEMICONDUTORES DIODOS E RETIFICADORES 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 230 A eletrônica analógica proporcionou uma base sólida para o desenvolvimento de uma série de circuitos e equipamentos que fizeram parte de avanços na indústria e em nosso cotidiano No entanto você saberia responder o que estuda a eletrônica analógica O que são diodos semicondutores Como esses dispositivos são aplicados na prática para o desenvolvimento de projetos Nesta primeira unidade estudaremos os principais pontos acerca dos materiais semicondutores assim como entenderemos considerações relevantes sobre os diodos semicondutores e circuitos retificadores Dessa maneira poderemos compreender em mais detalhes os materiais semicondutores especialmente suas propriedades físicas e químicas Em um segundo momento focaremos nos diodos e em seu funcionamento geral conhecendo exemplos dos tipos mais comuns e comerciais além de questões a respeito dos circuitos de polarização para esses dispositivos Teremos assim não só uma visão geral desses importantes dispositivos semicondutores como também entenderemos diversas possibilidades de implementação prática premissas essenciais para os projetos e processo de leitura das folhas de dados por exemplo Por fim analisaremos os principais detalhes sobre os circuitos retificadores não controlados baseados no uso de diodos retificadores para circuitos monofásicos trifásicos e cargas resistivas ou indutivas Bons estudos Introdução 11 Física de semicondutores Os materiais considerando especialmente as áreas de engenharia são classificados a partir de propriedades mecânicas o que reflete em categorias como compósitos polímeros metais e cerâmicas Entretanto com o passar dos anos observouse a introdução de outra classe dado os avanços tecnológicos que impactam em outras áreas Estamos nos referindo aos semicondutores Assim ao longo deste tópico estudaremos quanto aos principais aspectos dos semicondutores classificados desta forma devido à sua microestrutura Também analisaremos aspectos físicos e outras características importantes para o estabelecimento da 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 330 circulação de corrente elétrica Iniciaremos nossos estudos avaliando uma visão geral desse material incluindo propriedades físicas e químicas básicas Em seguida conheceremos os materiais ditos extrínsecos especialmente os e e por último as principais características de uma junção Acompanhe o conteúdo 111 Visão geral sobre os materiais semicondutores na eletrônica Os materiais podem ser divididos basicamente entre bons condutores bons isolantes e semicondutores sendo que este último possui um interesse especial na área de eletrônica devido às suas propriedades físicoquímicas Dessa maneira um material semicondutor pode ser caracterizado por possuir uma banda de valência cheia e uma banda de condução vazia quando sendo estas separadas por um espaço gap de energia pequeno em torno de 2 eV o que resulta na condutividade intermediária REZENDE 2004 Essas relações são estabelecidas pela Teoria de Bandas acerca da energia atômica na qual a banda de valência corresponde à banda de energia formada por diferentes níveis energéticos ocupada por elétrons considerados semilivres devido ao maior distanciamento do núcleo atômico A de condução é uma região na própria banda de valência em que temos os elétrons mais prováveis de se tornarem elétrons livres A figura a seguir apresenta os níveis de energia discretos para o exemplo dos semicondutores considerando o GaAs arsenieto de gálio Observe Figura 1 Níveis de energia discretos para semicondutores Fonte BOYLESTAD NASHELSKY 2013 p 4 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 430 PraCegoVer na figura temos a representação das bandas discretas de energia com os elétrons posicionados Na parte de cima da figura encontramos a banda de condução com três elétrons livres representados para estabelecer condução Já no meio temos um gap dado por Abaixo deste encontramos a banda de valência com quatro elétrons de valência ligados à estrutura atômica Podemos perceber que a energia aumenta de baixo para cima de modo que se tem um gap e logo depois uma banda de valência Em seguida há outro gap que representa o valor de e a banda de condução Entre os materiais temse em destaque na indústria eletrônica o silício Si e o germânio Ge por conta de diversas questões desde a precisão e periodicidade de cristais e treliças destes obtidos até itens mais específicos como as capacidades visualizadas a partir da adição de impurezas para alteração de características outros tipos de materiais BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Dessa forma surge a possibilidade de caracterizar duas classes distintas de materiais semicondutores intrínsecos e extrínsecos Os semicondutores intrínsecos são materiais altamente puros e por isso altamente dependentes da temperatura para o estabelecimento da condução da corrente elétrica o que os torna menos utilizados no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos REZENDE 2004 Além disso por tais motivos denominamos os elétrons livres de portadores intrínsecos No próximo item estudaremos com mais detalhes os semicondutores extrínsecos fundamentais para a formação de dispositivos como os diodos Confira 112 Materiais extrínsecos dos tipos e O processo de adicionar um número prédeterminado de átomos a outro elemento considerado como impureza a partir de um material também previsto permite a formação de materiais semicondutores extrínsecos que são fundamentais na eletrônica Isto é materiais denominados como de tipos e A esse processo damos o nome de dopagem do semicondutor que como se pode imaginar gera efeitos nas estruturas das bandas de energia Os materiais do tipo são obtidos a partir do processo de dopagem de um cristal de germânio ou silício puro com átomos trivalentes três elétrons na camada de valência como é o caso do boro gálio ou índio Devido ao fato de que no novo material haverá um número insuficiente de elétrons observase um predomínio maior de lacunas espaços vazios que aceitarão com rapidez e facilidade os elétrons livres BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Já os materiais do tipo são formados pelos mesmos cristais mas pela adição de impurezas pentavalentes cinco elétrons na camada de valência o que é o caso do antimônio arsênio ou fósforo BOYLESTAD NASHELSKY 2013 O processo de dopagem faz com que tenhamos elétrons adicionais dissociados tenuamente ligados os quais contribuirão para a estrutura do novo material formado como elétrons relativamente livres Por outro lado é importante frisar para os dois materiais que embora sejam observadas essas características físicoquímicas devido às relações estabelecidas nas novas ligações atômicas tratamse de materiais eletricamente neutros Isso porque o número de prótons é o mesmo de elétrons carregados positivamente no núcleo e livres orbitando com carga negativa respectivamente 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 530 Ademais os portadores majoritários e minoritários para cada um dos materiais dependerão das relações de doação e recepção estabelecidas pelas novas ligações Agora que pudemos compreender sobre os materiais extrínsecos dos tipos e no próximo item nos aprofundaremos quanto ao desenvolvimento básico de um diodo semicondutor seja destinado a retificadores seja destinado a aplicações de pequenos sinais Tratase da junção 113 Junção A junção obtida a partir do uso de materiais extrínsecos dos tipos e é a base para a formação de dispositivos eletrônicos como é o caso dos diodos semicondutores e dos transistores Assim temse que um diodo semicondutor é formado basicamente por uma junção dos dois materiais anteriores com um terminal correspondente a cada um Sabese que quando a união é feita há uma combinação entre elétrons e lacunas na região que a junção ocorre levando à ausência de portadores livres próximo à ela Além disso de acordo com Boylestad e Nashelsky 2013 a região descoberta formada por íons positivos e negativos é denominada região de depleção por conta da relação de depleção de portadores Observase ainda que dependendo da forma como a polarização da junção é estabelecida na prática como o diodo é ligado temos três possibilidades sem polarização externa polarização direta ou polarização reversa No caso da ausência de polarização a tensão na junção será nula ou seja Isso por conta da não circulação de corrente estabelecida e consequentemente do fluxo de carga em qualquer sentido também nulo Caso dado potencial externo de volts seja aplicado à junção de modo que o terminal positivo seja conectado ao material do tipo enquanto o negativo seja conectado ao material do tipo o número de íons positivos não combinados aumentará na região de depleção devido ao grande número de elétrons livres que serão carregados pelo potencial externo De forma semelhante há um aumento de elétrons não combinados no material do tipo elevando a região de depleção BOYLESTAD NASHELSKY 2013 A baixa corrente estabelecida nessa configuração recebe o nome de corrente de saturação por conta do comportamento de saturação dado pelo dispositivo Com isso temos a relação Para entender como são fabricados os circuitos integrados iguais aqueles utilizados em processadores de computador assista ao vídeo Visitamos O Museu da Intel Veja Como é Feito Um Chip e Conheça A História da Empresa Na produção é apresentado o processo de fabricação de dispositivos semicondutores até chegar ao resultado final do CI Para assistir ao vídeo na íntegra clique no botão abaixo Acesse httpswwwyoutubecomwatch vAuUOrrW8YOU Você quer ver 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 630 Por último temse que uma junção é polarizada de forma direta por uma fonte externa caso se associe o terminal positivo ao material do tipo e o negativo ao do tipo forçando à recombinação dos elétrons do material tipo e das lacunas do tipo com íons que estão próximos à fronteira levando à redução da largura da região de depleção BOYLESTAD NASHELSKY 2013 É essa redução que leva a um fluxo mais intenso de portadores majoritários por meio da junção e por isso tal configuração também é denominada forma de condução A tensão é estabelecida de modo que A próxima figura traz do ponto de vista das formações e diminuições das regiões de depleção polarização e aspectos da condução três possibilidades para a junção mencionadas até aqui 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 730 PraCegoVer na figura temos a junção representada em três possibilidades sendo elas sem polarização polarização reversa ou direta O material do tipo se encontra acima enquanto o do tipo está no meio O caso sem polarização mostra a região de depleção formada em torno da junção com sem Já no meio temos a polarização reversa com o material ligado ao terminal negativo e o material ligado ao terminal positivo da fonte com corrente majoritária nula e uma pequena corrente de saturação circulando Por último na parte de baixo temse a polarização direta da junção com o material ao terminal positivo e o ao negativo permitindo a condução devido à diminuição da região de depleção na junção dos materiais Figura 2 Possibilidades para o funcionamento da junção Fonte BOYLESTAD NASHELSKY 2013 p 89 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 830 Sabese ainda que a corrente no diodo pode ser definida para as polarizações direta e reversa como em que é uma constante igual a 11600 Usamos de 1 para o uso do germânio 2 para o uso do silício ou 1 em casos em que haverá maior circulação de corrente Já representa a temperatura em Kelvin BOYLESTAD NASHELSKY 2013 A seguir estudaremos com mais detalhes os diodos semicondutores tendo uma visão geral destes os principais modelos comerciais e as formas de polarização No entanto antes de passarmos para o assunto vamos colocar nossos conhecimentos adquiridos até aqui em prática É a possibilidade de variação da condutividade em um material semicondutor a partir da presença de átomos diferentes no cristal puro que se tem a fabricação de diversos dispositivos eletrônicos pelo mesmo material semicondutor como o silício Você sabia Vamos entender na prática como podemos considerar no projeto do dispositivo a circulação de corrente elétrica a qual ele estará sujeito Para tanto suponha que no projeto de um novo diodo de silício seja necessário estimar a capacidade de condução de corrente desse material O que você faria nesse caso Perceba que uma possibilidade é estimar a corrente no diodo correlacionando com todos os seus parâmetros construtivos Crie um relatório explicando o passo a passo e depois compartilhe com seus colegas Vamos Praticar 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 930 12 Diodos semicondutores Um diodo semicondutor é formado por uma junção sendo um dispositivo amplamente utilizado no chaveamento de circuitos eletrônicos e embora simples de várias opções comerciais Em polarização direta o diodo funciona como circuito fechado curto ao passo que em polarização reversa funciona como circuito aberto ou chave aberta A fim de compreendermos melhor a respeito do dispositivo ao longo deste tópico estudaremos sobre o funcionamento de um diodo ideal para que adiante seja possível entender como analisar circuitos que operam a partir do uso de diodos 121 Visão geral sobre diodos semicondutores Analisando um diodo ideal observase um dispositivo condutor perfeito quando ele estiver polarizado diretamente e ao mesmo tempo um isolante perfeito quando estiver polarizado de forma reversa com resistências nula e infinita respectivamente Outra aproximação válida e mais próxima do comportamento real do dispositivo é considerar que o diodo só conduzirá a partir de dada queda de tensão geralmente 07 V para diodos de silício para superação da região de depleção em polarização direta BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Adicionalmente para entender o uso desse dispositivo suponha um circuito com um diodo ideal para acionamento ou não de uma carga resistiva por exemplo Observase que a tensão na carga poderá ser calculada aplicando o Teorema de Thévenin considerando ou não os 07 V Entretanto na maior parte dos casos poderá ser necessário considerar outros aspectos da junção e dos próprios materiais semicondutores de modo que se sugere que o diodo seja modelado considerando os 07 V e ainda uma resistência de corpo Quando a tensão no diodo for maior do que 07 V este conduzirá e apresentará a seguinte queda de tensão Por outro lado conforme nos explica Malvino e Bates 2016 caso seja possível e de forma aproximada desprezar os efeitos modelados pela resistência de corpo estimase a seguinte relação analisando o restante do circuito ao qual o diodo está associado de 1 do circuito ou seja A figura na sequência apresenta um resumo do funcionamento do diodo considerando a queda de tensão e a resistência 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 1030 PraCegoVer na figura do lado esquerdo temse um gráfico da tensão em função da corrente em que até 07 V o diodo não possui corrente mas a partir dessa tensão a corrente é dada por uma reta com inclinação de Do lado direito temse a representação do dispositivo na prática com as polarizações reversa e direta respectivamente considerando que será uma chave aberta ou fechada em série com a fonte de 07 V e resistência Para o cálculo da resistência de corpo é preciso levar em conta aspectos mais específicos da folha de dados data sheet do dispositivo utilizado Dessa forma no próximo item você verá aspectos mais detalhados acerca dos diodos e adicionalmente como utilizar e interpretar a folha de dados Acompanhe 122 Interpretando a folha de dados de um diodo Considere a família 1N4000 como exemplo de dispositivo comercial que corresponde a um grupo de diodos da Farchild amplamente utilizado na prática Tendo em mente mais especificamente os diodos 1N4001 a 1N4007 sabese que estes são utilizados para retificação em geral e assim denominados diodos retificadores Tipicamente esse tipo de dispositivo possui funcionamento semelhante ao apresentado anteriormente porém na prática a região de 07 V possui uma transição diferente e forma a região de joelho entre saturação e condução Começando pela tensão de ruptura reversa temse neste parâmetro o valor de segurança no caso de polarização reversa Para o diodo 1N4001 por exemplo temse tensão de pico reverso repetitivo de 50 V Já a corrente máxima direta representa matemática e fisicamente a capacidade de condução Escolhendo novamente o 1N4001 temse corrente direta retificada média com º demonstrando que o dispositivo pode conduzir até 1 A semelhantemente ao valor anterior Tratase inclusive de um valor máximo que não deve ser alcançado na prática por segurança A queda de tensão direta por sua vez é o valor para quando o dispositivo apresentar corrente máxima direta No caso do 1N4001 11 V para 1 A Figura 3 Aproximação para o diodo Fonte MALVINO BATES 2016 p 82 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 1130 De forma semelhante a corrente reversa máxima denota o valor à que no caso do 1N4001 é 10 em 25C podendo chegar a 50 em 100C Com isso percebemos o quanto é fundamental a manutenção da temperatura para que o dispositivo continue apresentando as características desejadas ou então em casos específicos demonstre possíveis mudanças já esperadas Agora vamos analisar o cálculo da resistência de corpo Esta não se trata de um parâmetro normalmente informado na folha de dados do diodo mas pode ser estimada a partir dos valores de tensão e corrente na região do joelho ou acima desta estabelecidos com o subíndice 1 bem como com valores de tensão e corrente em um ponto muito acima da região do joelho estabelecidos com o subíndice 2 Nesse sentido temos que Como já informado o valor de explicita diretamente a inclinação da curva não devendo se confundir tal parâmetro à resistência CC dada pela tensão total no diodo pela corrente total neste Em condução direta temos enquanto que em polarização reversa encontramos Por isso também são chamadas de resistência direta e reversa respectivamente BOYLESTAD NASHELSKY 2013 MALVINO BATES 2016 Ademais observase que na prática a resistência CC será a de corpo acrescida do efeito produzido pela barreira de potencial o que nos permite concluir que a resistência de corpo é a das próprias regiões e e a resistência CC corresponde ao valor total de resistência à corrente O próximo quadro apresenta um conjunto de valores para certas características dos diodos da família 1N4001 a 1N4007 PraCegoVer no quadro temos quatro colunas e quatro linhas Na primeira linha informase com tensão reversa para 1 A de corrente que valerá 11 V na segunda linha temos com corrente máxima reversa à plena carga para a temperatura de 75C que é de 30 na terceira linha que é a corrente reversa com para 25C e 100C igual a 5 e 50 respectivamente e na última linha encontramos com capacitância total 4 V e 1 MHz dado por 15 Adicionalmente um método bastante comum para o cálculo da corrente e tensão no diodo é utilizar as retas de carga do circuito para identificar a interface com o circuito ao qual o dispositivo está associado A corrente no diodo é dada por Para compreender como a relação da funciona na prática considere um diodo ligado à uma fonte de corrente contínua com tensão com resistor e em série com um diodo Sendo a tensão na fonte de 2 V resistência de 100 Ω por exemplo e tensão no diodo nula observase 20 mA de corrente no circuito e consequentemente sabese o ponto de saturação Já o ponto de operação que também é chamado de ponto Q corresponde à intersecção que Quadro 1 Exemplos de características dos diodos conforme datasheet da família 1N40011N4007 Fonte Elaborado pela autora 2020 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 1230 ocorre entre a curva do próprio diodo e da reta de carga Por outro lado o ponto de corte do dispositivo corresponde ao ponto no qual a corrente no diodo é nula Para o exemplo temse O método das retas de carga para o exemplo é visto na próxima figura PraCegoVer na figura temos um gráfico de tensão e corrente no diodo plotado juntamente com a reta de carga do circuito ao qual este está associado A curva do diodo é semelhante a já vista anteriormente mas há a região do joelho correspondente ao comportamento de dispositivos reais Em 20 mA temse tensão nula ponto de saturação em 075 V temse 125 mA e o encontro com a reta de carga ponto de operação e em 2 V temse o ponto de corte A reta de carga vai de 0 V e 20 mA até 2 V e 0 mA Além disso o ponto Q corresponde ao único que solucionará o circuito e o dispositivo trabalhando de certa forma em favor de ambos complementarmente 123 Aplicações Sem dúvidas um dos principais tipos de circuitos nos quais os diodos são utilizados são os circuitos retificadores Além destes temos os circuitos ceifadores não polarizados o ceifador positivo e o ceifador negativo Vamos conhecêlos de acordo com as explicações de Malvino e Bates 2016 Figura 4 Curva do diodo real e a reta de carga Fonte MALVINO BATES 2016 p 92 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 1330 Tratamse de circuitos para aplicações em que se faz necessário controlar o sinal de saída para que este se comporte de forma definida e esperada como é o caso de circuitos para limitação de amplitudes excessivas por exemplo ou a formação de certos tipos de sinais Eles também possibilitam o controle da quantidade de potência entregue à carga É fundamental por isso considerar a relação entre as resistências usadas e a própria resistência do diodo resistência de corpo de modo que a seguinte relação geralmente será válida para projeto de um ceifador o mais próximo possível do comportamento ideal esperado O ceifador poderá ser aplicado de fato para a modelagem de formas de ondas mas o mesmo circuito pode ser utilizado de modo totalmente diferente com mais um diodo por exemplo Estes são os circuitos limitadores também conhecidos como grampeadores de diodo os quais permitem a limitação da tensão em uma faixa específica Ademais temse os circuitos ceifadores polarizados que servem para variação do nível de referência no qual será feito o corte de ceifadores combinados e alguns circuitos de grampos de diodos mais completos que permitirão aplicações mais abrangentes Usados para retirar as partes negativas ou positivas de formas de onda obtidos a partir de diodos capazes de operar em altas frequências e com baixas potências diodos de pequenos sinais Retira as partes positivas do sinal de entrada formado por uma resistência de entrada junto à uma fonte senoidal por exemplo com de tensão de pico além do diodo em paralelo com uma carga Retira as partes negativas e é formado pelos mesmos elementos do circuito anterior sendo que a diferença está no modo com o qual o diodo estará ligado para polarização reversa ou direta dependendo do semiciclo de operação da fonte Ceifadores não polarizados Ceifador positivo Ceifador negativo 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 1430 A seguir é possível observarmos um exemplo simples de um circuito ceifador negativo com a forma de onda obtida na saída PraCegoVer na figura na parte superior encontramos o circuito o qual demonstra a tensão senoidal aplicada em sua entrada por meio da fonte com a tensão de pico A fonte no circuito está em série com um resistor sendo que o diodo retificador usado é paralelo à carga representada por com seu anodo conectado ao negativo da fonte e o catodo ao positivo Já a tensão de saída vista no gráfico de baixo do circuito traz os valores de tensão em função do tempo tendo como resultado os semiciclos negativos da senoide cortados em 07 V por conta da queda no diodo bem como picos positivos medidos em 20 V o mesmo valor da fonte de tensão utilizada como exemplo Outro exemplo importante de classe de circuito é formado pelos circuitos grampeadores que em suma permitem o deslocamento da forma de onda para que o sinal seja totalmente positivo assumindo o máximo de valores possíveis em todos os ciclos dentro da região positiva grampeador positivo ou então dentro da negativa caso o deslocamento faça o contrário grampeador negativo Malvino e Bates 2016 mencionam que esse tipo de circuito funciona de modo semelhante aos retificadores de meia onda com filtro de entrada com capacitor Por último temse os detectores de pico a pico úteis para a realização de medições sinais não senoidais por exemplo ou até mesmo em áreas como comunicações e processamento de sinais Esse tipo de circuito é obtido da conexão em cascata entre grampeador e detector de pico MALVINO BATES 2016 Figura 5 Circuito ceifador negativo Fonte MALVINO BATES 2016 p 119 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 1530 124 Tipos principais de diodos e diodos comerciais O diodo Zener é um dos principais exemplos de diodos especiais os quais diferentemente dos retificadores ou dos diodos de pequenos sinais são projetados especificamente para operação na região de ruptura Com isso tornase possível alguns efeitos como manter a tensão constante Malvino e Bates 2016 nos trazem que dessa forma tais dispositivos são largamente utilizados em aplicações de regulação de tensão eou circuitos nos quais o principal objetivo é manter a tensão constante ou o mais próximo possível Considerandose então seu funcionamento na região de fuga que corresponde o zero até a ruptura temos uma nova relação tensãocorrente Nela é o valor da tensão no diodo é o valor da corrente particular de teste e é a corrente reversa máxima assim como temos em um diodo retificador por exemplo dados em data sheet MALVINO BATES 2016 Na região reversa a resistência de corpo corresponde à resistência Zener A figura a seguir resume o funcionamento desse dispositivo Observe com atenção PraCegoVer na figura do lado esquerdo temos as duas representações em circuito mais comuns do diodo Zener Já do lado direito temse a curva tensão versus corrente para a curva característica do dispositivo que está demonstrando a ênfase na operação na região de ruptura do dispositivo pela extensa projeção desta com relação às demais típicas de um diodo Além disso temse no gráfico marcados os valores de V e das correntes I e I A próxima figura por outro lado traz um exemplo prático de um circuito regulador de tensão utilizando o diodo Zener Figura 6 Diodo Zener Fonte MALVINO BATES 2016 p 158 Z ZT ZM 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 1630 PraCegoVer na figura temos uma fonte de alimentação com tensão ajustável de amplitude em série com um resistor para controle e interface Em seguida temse em paralelo o diodo Zener com o anodo ligado ao negativo da fonte e o catodo ao positivo Este está também em paralelo com a carga representada pelo resistor Visto a respeito disso vamos colocar nossos conhecimentos em prática com uma atividade Assim você poderá fixar o conteúdo e já praticar para quanto precisar responder a questões mais complexas Confira a seguir Partindo para a optoeletrônica temse os LEDs do inglês Light Emissor Diode ou diodos emissores de luz os fotodiodos os acopladores óticos e os diodos laser Entre estes tomando como exemplo os LEDs sabese que seu funcionamento básico pode ser explicado a partir de um circuito simples formado por uma bateria um resistor e o LED em série por exemplo A corrente no circuito será dada da mesma forma que no caso do uso de um diodo comum Além disso os LEDs poderão estar associados aos mais diversos tipos de circuitos e aplicações pois servirão para alertas luminosos e até em casos de circuitos de potência para maior eficiência luminosa por exemplo Figura 7 Circuito simples regulador de tensão Fonte MALVINO BATES 2016 p 145 Teste seus conhecimentos Atividade não pontuada O artigo Diodos Emissores de Luz e Concentrações de BAP na Multiplicação In Vitro de Morangueiro escrito por Paulo Sérgio Gomes da RochaI Roberto Pedroso de OliveiraI Walkyria Bueno ScivittaroI e Ulisses Lyra dos Santos tem como principal objetivo analisar aspectos específicos do cultivo de morangos como o uso de BAP 6benzilaminopurina e a capacidade de auxílio dos Você quer ler 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 1730 Por último tomando como exemplo os diodos Schottky temse a solução para problemas oriundos de aplicações de pequeno sinal no caso de aumento de frequência Eles também são chamados de diodos de portador quente Conforme Malvino e Bates 2016 oferecem como vantagem a ausência da carga armazenada que levará com que esse tipo de diodo na prática entre em corte mais rápido do que um diodo comum Dessa maneira são dispositivos amplamente utilizados na computação digital LEDs no contexto Para entender melhor sobre o assunto e se aprofundar na temática clique no botão abaixo e leia o texto na íntegra Acesse httpswwwscielobrpdfcrv40n9a699cr2985pdf Suponha que você é o responsável pelo projeto de um circuito regulador simples de tensão Em seu projeto há uma fonte CC capaz de operar entre 20 e 40 V um resistor associado à ela com 800 Ω e um diodo Zener que possui 10 V de tensão de ruptura Ao analisar você opta por utilizar para o circuito um resistor de saída de 800 Ω Desejase saber então para que seja possível prever as condições de operação do circuito projetado quais os valores mínimo e máximo para a corrente nesse diodo Tente fazer os cálculos Solução 125 e 375 mA Isso porque a corrente mínima é dada quando a tensão na fonte é mínima Além disso devese descontar a tensão de ruptura do diodo Assim pela Lei de Ohm temse Por outro lado a corrente máxima é dada quando a tensão na fonte é máxima tal que se tem a seguinte corrente máxima no diodo Vamos Praticar 13 Retificadores A partir de agora você conhecerá uma das principais classes de aplicações dos diodos a retificação CACC Assim ao longo deste tópico abordaremos alguns dos circuitos eletrônicos mais importantes utilizados para a transformação de um sinal de corrente alternada CA em um sinal contínuo tomando como exemplo os circuitos desenvolvidos com diodos retificadores não controlados 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 1830 A potência em corrente alternada pode ser definida em função dos valores RMS também chamados de eficazes da tensão e da corrente de saída em que temos O valor da potência de saída potência CC é dado a partir dos valores médios da tensão e corrente da carga resultando em o que permite definir que a eficiência de um retificador é basicamente dado por RASHID 2014 Começaremos nossos estudos então pelos circuitos retificadores de meia onda e em seguida veremos sobre os retificadores de onda completa além dos retificadores trifásicos juntamente com os principais aspectos de projeto deles 131 Retificadores de meia onda Os retificadores de meia onda recebem tal nomenclatura por converterem um sinal CA em um sinal formado pelos semiciclos positivos Eles também são conhecidos como retificadores de um pulso devido à simplicidade do circuito Tais ratificadores podem se dividir em tipos básicos por conta da carga associada Tomando como exemplo o uso de carga resistiva temse o seguinte circuito e as formas de onda correspondentes nos elementos O surgimento de retificadores remonta ao século XVIII de grandes nomes como Conde Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta que já estudava as ideias de Luigi Galvani para invenções de vários dispositivos como a pilha Químico e físico Volta é considerado um dos pioneiros da eletricidade e da potência sendo que outra descoberta bastante notável do cientista foi a do gás metano CHAGAS 2000 Você o conhece 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 1930 PraCegoVer na figura temos do lado esquerdo o circuito com a fonte senoidal CA em série com o diodo retificador e o resistor que representa a carga As formas de onda são vistas do lado direito com as tensões de entrada e saída de mesmo pico somente com os semiciclos positivos A corrente de saída também é representada por semiciclos positivos ao passo que a tensão no diodo traz somente os semiciclos negativos A tensão média na carga é dada por sendo a tensão de alimentação do circuito e o máximo que a fonte fornece Assim nesse caso de carga resistiva Ahmed 2008 nos explica que teremos a seguinte expressão Já para a corrente temse que para com valor da corrente dado por A capacidade de suportar a tensão reversa inclusive se trata de uma informação acerca sobre qual tipo de diodo deve ser usado é denominada como PIV ou PRV dada pelo valor nominal da A potência de saída média por sua vez pode ser dada pela seguinte relação ² Similarmente a potência de entrada se dá por Figura 8 Circuito retificador meia onda com carga resistiva Fonte AHMED 2008 p 150 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 2030 Para avaliar a qualidade da tensão de saída além da própria eficiência outras medidas são sugeridas como o fator de forma FF em que temos e o fator de ondulação RF resultando em Note que é desejável que a tensão RMS seja igual à média Considerandose a carga resistiva o fator de ondulação RF pode ser reescrito como Temos ainda que a quantidade de pulsos é dada pela frequência fundamental de ondulação dividida pela frequência da fonte Considerandose por outro lado uma carga indutiva o arranjo é similar Nesse caso observa se alguns comportamentos distintos por conta da presença do elemento passivo e da sua relação de carregamento em que será o ângulo de condução a depender do valor do indutor e do resistor de forma que a tensão média na carga é dada pela expressão De forma similar a corrente será Em aplicações de alta potência os circuitos de um pulso possuem grandes limitações por conta da baixa tensão fornecida na saída e da grande ondulação do sinal CC obtido na saída Dessa maneira geralmente para cargas indutivas utilizase o arranjo do retificador com um diodo de roda livre um diodo extra colocado para promover um novo caminho de circulação da corrente Esse tipo de circuito retificador se destina ao uso em geral de aplicações de baixa potência alternativamente aos retificadores de meia onda podendo ser escolhido frente a estes por impedir o surgimento de uma tensão negativa na carga Tal surgimento por sua vez deve ser evitado por acarretar em aumentos no valor médio da tensão de saída e da corrente de saída média Ademais ressaltase que nesse tipo de circuito há as mesmas formas de onda obtidas em um circuito retificador de meia onda com carga puramente resistiva Visto sobre os retificadores de meia onda vamos passar ao estudo dos retificadores de onda completa que recebem tal denominação pela quantidade de diodos utilizada e por trabalhar com o sinal de entrada completo 132 Retificadores de onda completa Tomando como exemplo os circuitos retificadores de onda completa com cargas que podem ser consideradas puramente resistivas temos o seguinte arranjo 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 2130 PraCegoVer na figura do lado esquerdo temse o circuito com a fonte de entrada o transformador associado à ele e este fazendo a ligação com o circuito que possui um diodo a carga logo abaixo e outro diodo no mesmo sentido No lado direito temse as formas de onda da tensão de entrada pico e da tensão de saída com semiciclos positivo e negativo igual a um positivo pico e valor da tensão média As correntes de e têm relação direta quanto à quando os dispositivos disparam Encontramos junto a corrente de saída pico de assim como as tensões de saída nos dois diodos Figura 9 Circuito retificador de onda completa com transformador central Fonte Elaborada pela autora baseada AHMED 2008 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 2230 Rashid 2014 menciona que a tensão de saída é dada por Note que o valor da tensão é o dobro do valor estabelecido para um retificador de meia onda com a mesma carga Esse parâmetro também é válido para o cálculo da corrente de modo que a corrente de saída RMS é dada como Considerando um retificador de dois pulsos que utiliza um transformador com terminal central observase ainda que o valor nominal da relação de PIV será dada por ao passo que a corrente média do diodo é Por último a RMS é Com relação à potência média entregue à carga temse que esta será de ² Já para a potência AC temos Caso o tipo de carga também inclua uma indutância para esta imaginamos a mesma configuração de retificador de dois pulsos com os mesmos cálculos com exceção da corrente RMS no diodo Assim Agora analisaremos um arranjo bastante utilizado para retificadores monofásicos o retificador de quatro pulsos onda completa com ponte A figura a seguir apresenta o circuito e as formas de onda correspondentes para o caso de uma carga puramente resistiva 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 2330 PraCegoVer na figura do lado esquerdo temos o circuito retificador de quatro pulsos com carga resistiva com os terminais da fonte ligados a um transformador elétrico de 11 Os terminais do equipamento por sua vez estão ligados à uma ponte com quatro diodos A carga resistiva está no meio da ponte Do lado direito temse as formas de onda correspondentes da tensão da fonte pico da tensão de saída pico das correntes no par de diodos 2 e 3 bem como no par 1 e 4 A corrente de saída possui a mesma forma de onda de ciclos positivos senoidais da tensão de saída Ainda temos a tensão no par de diodos 2 e 3 e a corrente na fonte que é a mesma no diodo 2 menos a corrente do diodo 1 Conforme nos explica Rashid 2014 as duas únicas diferenças com relação ao equacionamento no caso do retificador de quatro pulsos com carga resistiva está no PIV para os diodos que é dada por A corrente média em cada um deles se dá por Assim perceba que se trata de uma grande vantagem da configuração já que nesse caso o diodo deverá suportar somente e não o dobro desta como na configuração anterior Figura 10 Retificador de quatro pulsos para uma carga resistiva Fonte Elaborada pela autora baseada em AHMED 2008 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 2430 Para o caso de um retificador de quatro pulsos com carga indutiva a corrente na carga não será de meia onda senoidal embora o valor médio da corrente permaneça o mesmo anterior A corrente AC na linha nesse caso não será mais senoidal o que é denotado pela forma de onda quadrada observada Diferentemente da carga resistiva a corrente na fonte é dada por RASHID 2014 Adicionalmente a tensão média na carga é dada por em que Já a corrente média é obtida pela divisão por R Dessa forma a corrente RMS é dada por Como os diodos conduzem de forma alternada temse que e Considere que você é o engenheiro responsável pela instalação de um motor de corrente contínua em uma importante linha de produção a qual está somente aguardando a instalação do equipamento Considerando que a rede disponível é trifásica CA com 60 Hz e 220 V e que o motor deverá receber 100 V em CC qual seria uma possível forma de instalar corretamente o equipamento Bem sendo a rede trifásica CA e que o equipamento opera em CC é evidente que será necessário o uso de um circuito retificador Como a rede é trifásica o circuito também deverá ser Além disso sugerese o uso de um transformador Mais ainda observando as características indutivas do motor o caminho será projetar um retificador de seis pulsos com transformador para cargas indutivas Agora vamos analisar alguns exemplos de retificadores não controlados destinados à rede trifásica Existem similarmente ao que foi apresentado para os monofásicos retificadores de meia onda conhecidos como retificadores de três pulsos tanto para cargas resistivas quanto para cargas indutivas Além deles existem os retificadores trifásicos de onda completa conhecidos como retificadores de seis pulsos também para cargas resistivas e indutivas Tomando como exemplo um retificador de seis pulsos para uma carga resistiva temse um dos circuitos mais importantes de alta potência que pode ser ligado diretamente à fonte trifásica ou por meio de um transformador trifásico similarmente ao que era feito nos retificadores monofásicos De acordo com Ahmed 2008 esse tipo de circuito fornece uma saída com menor quantidade de ondulações quando comparado ao retificador de três pulsos e mais ainda em comparação aos retificadores monofásicos Caso 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 2530 A figura na sequência apresenta as formas de onda das tensões de entrada desse tipo de circuito dada uma fonte trifásica qualquer Analise com atenção PraCegoVer na figura temos uma ilustração com gráficos da tensão trifásica de entrada Na parte superior encontramos as três tensões de linha com a sequência de fase ABC que são e com pico máximo em Na parte inferior temse as tensões de linha e somente com tensão de referência no terminal B dada pela das defasagens O quadro seguinte por sua vez resume a operação dos seis diodos utilizados mostrando qual é a tensão positiva mais alta qual é a negativa mais alta e quais são os pares de diodos ligados para cada período de análise Figura 11 Formas de onda da fonte de tensão trifásica Fonte AHMED 2008 p 236 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 2630 PraCegoVer no quadro temos cinco colunas e oito linhas Na primeira coluna há o período de 0 a 360º seguido da tensão positiva mais alta de A a C tensão negativa mais alta de A a C e diodos ligados divididos entre impares e pares de D1 a D6 No caso o 0 a 60º está para C B D5 e D6 respectivamente 60 a 120º está para A B D1 e D6 respectivamente 120 a 180º está para A C D1 e D2 respectivamente 180 a 240º está para B C D3 e D2 respectivamente 240 a 300º está para B A D3 e D4 respectivamente Por fim 300 a 360º está para C A D5 e D4 respectivamente A tensão média na carga para esse caso é dada a partir do valor do retificador de três pulsos aproximadamente Similarmente definese a tensão em função da linha A partir das correntes nos diodos por outro lado é possível calcular as correntes de linha em que temos e Na figura a seguir temos a forma de onda da saída desse circuito em comparação com a entrada Quadro 2 Operação dos diodos nos períodos de alternância para o retificador de seis pulsos com carga resistiva Fonte Elaborado pela autora baseado em AHMED 2008 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 2730 PraCegoVer na figura na parte superior encontramos a tensão de entrada trifásica e senoidal representada pela sequência ABC As tensões positiva e negativa também são vista sendo que a positiva é dada por Já na parte inferior temse o sinal de saída demonstrando o comportamento a cada período de 60 com uma ondulação correspondente a cada período deste devido ao chaveamento dos diodos São indicados os valores das tensões máxima média e mínima com 1414 0955 ou 135 e 1225 respectivamente A corrente na carga é dada por Similarmente a corrente média em cada diodo será ao passo que a RMS será Figura 12 Forma de onda da tensão de saída em comparação com a entrada Fonte AHMED 2008 p 238 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 2830 Para esse circuito temse ainda que o fator de ondulação é de A frequência dessa ondulação será dada por Por último mas não menos importante a tensão máxima de bloqueio de um diodo é dada por Como vantagens gerais de retificadores trifásicos com base em Ahmed 2008 e Rashid 2014 é possível apontar Perceba ainda que o processo de filtragem posterior poderá ser demandado Uma boa opção é o uso de filtros com indutor e capacitor os quais devem ser dimensionados conforme aspectos do próprio circuito Teste seus conhecimentos Atividade não pontuada maior valor da tensão de saída obtido a partir de uma mesma tensão de entrada menores amplitudes são vistas nas ondulações o que permite na prática a obtenção de uma tensão de saída mais limpa maior frequência de ondulação possibilitando que o processo de filtragem seja mais simplificado a eficiência total é tipicamente para esses retificadores mais alta Em muitos casos poderá ser necessário especificar adicionalmente ao projeto do retificador um circuito de filtro para que o sinal entregue à carga se torne ainda mais próximo de um sinal CC Para tanto são utilizados circuitos com indutores e capacitores os quais farão a neutralização de ripples Dessa forma disserte acerca de como esse sinal de saída poderia ser tratado na prática especialmente considerando o atendimento de circuitos mais sensíveis à variação da tensão Um exemplo é o filtro de entrada com indutor bobina ou choque que terá em série com a fonte de entrada tensão de saída do retificador um indutor e em paralelo um capacitor Para escolher os valores de parâmetros desse circuito ou outro tipo de filtro o projetista deve ter em mente a compatibilidade com o que se deseja para saída atentandose sempre às possíveis sensibilidades da carga Vamos tentar Vamos Praticar 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 2930 Chegamos ao final da primeira unidade da disciplina de Eletrônica Analógica Aqui pudemos compreender a importância do uso dos materiais semicondutores para o desenvolvimento de uma série de dispositivos incluindo os diodos semicondutores utilizados na transformação de um sinal CA em um sinal contínuo por exemplo Nesta unidade você teve a oportunidade de Conclusão aprender mais detalhes sobre as propriedades físicas dos materiais semicondutores os quais permitiram o desenvolvimento de dispositivos como diodos e transistores entender como funcionam os diodos semicondutores e as especificações acerca do uso destes identificar mais detalhes sobre os retificadores não controlados desenvolvidos a partir de diodos entender como pode ser feito o projeto de um retificador trifásico AHMED A Eletrônica de potência São Paulo Pearson Education do Brasil 2008 BOYLESTAD R L NASHELSKY L Dispositivos eletrônicos e Teoria de Circuitos São Paulo PrenticeHall 2013 CHAGAS A P Os 200 anos da pilha elétrica Química Nova São Paulo v 23 n 3 p 427429 maiojun 2000 Disponível em httpswwwscielobrpdfqnv23n32832pdf httpswwwscielobrpdfqnv23n32832pdf Acesso em 25 nov 2020 MALVINO A P BATES D J Eletrônica Porto Alegre AMGH 2016 v 1 RASHID M H Eletrônica de potência dispositivos circuitos e aplicações São Paulo Pearson Education do Brasil 2014 REZENDE S M Materiais e dispositivos eletrônicos São Paulo Livraria da Física 2004 Referências 15082023 2153 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade1ebookindexhtml 3030 ROCHA P S G da et al Diodos emissores de luz e concentrações de BAP na multiplicação in vitro de morangueiro Ciência Rural Santa Maria v 40 n 9 p 1922 1928 set 2010 Disponível em httpswwwscielobrpdfcrv40n9a699cr2985pdf httpswwwscielobrpdfcrv40n9a699cr2985pdf Acesso em 20 nov 2020 VISITAMOS o museu da Intel Veja como é feito um chip e conheça a história da empresa S l s d 1 vídeo 17 min Publicado pelo canal Adrenaline Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvAuUOrrW8YOU httpswwwyoutubecomwatchvAuUOrrW8YOU Acesso em 23 nov 2020