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Fundamentos de Electrónica Díodos. Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE 2003 2 Roteiro O Díodo ideal Noções sobre o funcionamento do Diodo semicondutor.

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1 Fundamentos de Electrónica Díodos

2 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Roteiro O Díodo ideal Noções sobre o funcionamento do Diodo semicondutor Equações aos terminais Modelo de pequenos sinais

3 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE O Díodo Ideal Um díodo consiste num dispositivo capaz de permitir a passagem de corrente num sentido e impedir no sentido oposto. Vd Id +- corrente ânodo Id Vd Símbolo do díodo Característica do díodo cátodo

4 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Modelo simplificado Devido ao carácter exponencial da característica do Diodo Vd pode ser bem aproximado por 0.7V para um grande gama de valores de Is e correntes. A resistência rd assume normalmente valores reduzidos Id Vd 0,7V

5 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Rectificador de corrente Nota: a massa na saída não é igual á massa na entrada

6 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Fonte linear Fonte com tensão DC de 5V e capaz de fornecer 25mV de corrente. Diodo de Zener tem 10 para Iz=20mA que necessita de uma corrente de cerca de 5mA para funcionar correctamente. Escolhendo uma tensão de pico no secundário de 12V de forma a distribuir cerca de 3V para oscilação no condensador, 3V para queda de tensão na resistência, e 1 V de queda de tensão nos diodos temos: C1 = I t / V = (25mA+5mA) / 50 Hz / 3 V = 200uF A resistência R2 deve ser suficientemente pequena para fornecer os 30mA à carga mas deve limitar ao máximo a corrente no zener (a 30mA) quando a carga é de impedância elevada e a tensão no condensador toma valores máximos, para limitar a potencia dissipado por este, ou seja devemos ter R2=3V/ 30mA= 100. Mas este assunto não é inteiramente desta cadeira. 26:1 Ajuste final num programa de simulação V V 50Hz R1 0.5ohm T1 D1 D2 220 V rms C1 200uF R2 100ohm D3 R3 500ohm A resistência R2 é responsável por perdas na fonte.

7 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Fonte comutada Um exemplo muito simples de uma fonte comutada (conversor AC/DC). Sempre que o a tensão em C2 baixe dos 5V J1 liga e desliga quando subir acima dos 5V. O interruptor liga e desliga com uma frequência elevada de forma a manter uma tensão continua de 5V na saída.

8 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Aplicações Porta ORPorta AND Circuitos limitadores Multiplicador de tensão Formatador de Seno etc

9 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE A Junção p-n Junção p-n É uma aproximação do diodo real. Constituída pela junção de dois materiais semicondutores, tipo-p e tipo-n. pn Semicondutor tipo-p Semicondutor tipo-n

10 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE A junção p-n em equilíbrio termodinâmico A junção dos dois semicondutores produz uma corrente de difusão de electrões livres e de lacunas de tal forma que se forma uma barreira de potencial. pn V E Diferença de potencial, V < 0 Campo eléctrico (E) Potencial (V) 0 x Região de depleção NANA NDND

11 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE A junção p-n em equilíbrio termodinâmico Campo eléctrico (E) Potencial (V) 0 x 0 x - + Carga Região de depleção - W np Escala logarítmica

12 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Região de depleção Devido à recombinação entre electrões e livres e lacunas existe uma região em que a concentração destes está bastante abaixo do restante: Região de depleção ou região de transição pn V E Região de depleção

13 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Junção polarizada inversamente Polarização inversa pn Provoca o alargamento da região de depleção e o aumento da barreira de potencial, até bloquear a passagem da corrente. Funciona como um condensador cuja carga é armazenada na região de depleção.

14 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Junção polarizada directamente Polarização directa pn Provoca o estreitamento da região de depleção e a diminuição da barreira de potencial. Facilita a passagem da corrente.

15 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Equações aos terminais Vd~0,7V Comprimento de difusão Tempo de vida médio

16 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Região de disrupção Se a tensão inversa aplicada a um díodo for muito forte dá- se um fenómeno de disrupção, segundo o qual o díodo passa a conduzir. Existem dois efeitos que podem dar origem á disrupção: Efeito de Zener O campo eléctrico é suficientemente forte para gerar pares electrão buraco na região de depleção. Resulta em díodos com esta região bem definida. Efeito de Avalanche A energia cinética dos portadores minoritários sobe a influência do campo eléctrico é suficiente elevada para quebrar as ligações covalentes.

17 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Sensibilidade à temperatura V be varia cerca de -2mV/Cº para valores semelhantes de Ic.

18 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Característica do Díodo (com zona de disrupção) 0.7V Tensão de Disrupção (Vz) Disrupção Id Vd

19 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE A capacidade da junção (em polarização inversa) Largura variável da região de depleção: Para pequenos sinais: V q A carga armazenada não é proporcional à tensão. De facto a tensão aumenta aproximadamente com o quadrado da carga.

20 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Modelo de pequenos sinais Desde que: Vd vd(t) Id id(t)

21 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Modelo de pequenos sinais Fórmula de Taylor

22 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Análise de pequenos sinais (CA) Passos Análise de grande sinais (CC- corrente continua) para calcular o Ponto de Funcionamento em Repouso, PFR (Id) Cálculo dos parâmetros do modelos de pequenos sinais, rd. Análise de pequenos sinais Anular as componentes de CC das fontes, ou seja remover as fontes de corrente e curto circuitar as fontes de tensão. Substituir os componentes não lineares pelos seus equivalente lineares para pequenos sinais Fazer uma análise do circuito resultante Opcional: somar as componentes de pequenos sinais (CA) com as componentes CC.

23 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Modelo de alta-frequência Capacidade da junção Capacidade de difusão Região de depleção Tipo-pTipo-n Carga armazenada Polarização inversaPolarização directa

24 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Circuitos limitadores Circuito de clampingDuplicador de tensão

25 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Díodos especiais Schottky-barrier díodo Metal semicondutor tipo n Para dopagem elevada não se produz díodo (contactos ohmicos) Vd de 0.3 a 0.5V Muito utilizado em circuitos de Arseneto de Gálio (As-Ga) Varactors Condensadores variáveis, coeficiente m=3, 4 Photodiodes Díodo polarizado inversamente Fotões incidentes na região de depleção geram pares electrão lacunas que transportam corrente (sensores de luminancia) Polarização directa corresponde às células solares LEDs A recombinação de pares electrões lacunas gera fotões Led+photodiodo = isolador óptico

26 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Modelo SPICE Corrente de SaturaçãoIS 10e-14 A Coeficiente de emissãoN1 Resistência ohmicaRS0 Tensão intrinsecaVJ1 V Capacidade da junção com polarização nula CJ 0 0 F Coeficiente de gradiente M0,5 Tempo de transitoTT0s Tensão de disrupçãoBVinf Corrente inversa na saturação IBV1e-10A

27 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Lei da junção Região de depleção - W np O aumento da energia potencial das lacunas (com o aumento do potencial) implica uma diminuição da energia cinética destas e a diminuição do número de lacunas

28 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Cálculo da corrente aos terminais No fim da região de depleção temos: e Como nesta zona só existe corrente de difusão (o campo eléctrico é nulo), temos que a componente da corrente devida às lacuna é dada por: Como a corrente de electrões ou de lacunas é aproximadamente constante ao longo da junção, juntando a corrente devida aos electrões livres fica: 0 Região de depleção

29 Díodo semiconductor, Paulo Lopes, ISCTE Cálculo da corrente aos terminais Notas: Em regime estacionário (equilíbrio termodinâmico) temos Vd=0 e v(0)=0V e portanto p n (0)=p n0 Aplicar uma tensão aos terminais do díodo provoca uma diminuição de v(x) relativamente ao que se passa para a junção em equilíbrio termodinâmico, resultando v(0)=-Vd o que provoca um aumento de p n (0). O campo eléctrico no exterior da junção é pequeno mas não será nulo devido à igualdade dos integrais de linha do campo pelo interior e pelo exterior da junção.


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