Universidade Federal de Itajubá

Apresentação em tema: "Universidade Federal de Itajubá"— Transcrição da apresentação:

1 Universidade Federal de Itajubá
Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação Engenharia da Computação ELT303 – Eletrônica Analógica I Análise de Circuitos com Diodos (Reta de Carga e Modelos) Prof. Paulo C. Crepaldi Prof. Leonardo B. Zoccal Grupo de Microeletrônica 1

2 Universidade Federal de Itajubá
Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação Engenharia da Computação Atenção O material constante destas notas de aula foi preparado com base na bibliografia recomendada e destina-se a servir como um apoio ao acompanhamento da disciplina. Em alguns slides são utilizados recursos coletados da INTERNET e considerados de domínio público. Grupo de Microeletrônica

3 Análise de Circuitos com Diodos
As análises que serão abordadas (Reta de Carga e Modelos) representam uma alternativa para se encontrar o ponto de operação de um dispositivo semicondutor sem a necessidade de procedimentos de cálculo muito extensivos e trabalhosos. Deve-se ter em mente que os resultados obtidos são aproximados e que resultados absolutamente precisos não são possíveis de ser alcançados. Algumas razões pelas quais esta precisão absoluta não é obtida são: Resistores possuem tolerância (Adendo 1, Adendo2); Fontes de tensão e corrente sofrem o efeito de carga, ou seja, possuem impedâncias internas que não são “infinito” (fonte de corrente) ou “zero” (fonte de tensão); Dispositivos semicondutores de um mesmo lote de fabricação apresentam dispersões entre os seus parâmetros elétricos; Dispositivos semicondutores e componentes eletro-eletrônicos de uma forma geral sofrem a influência da temperatura e da umidade relativa do ar. O grau de precisão a ser alcançado depende da aplicação em questão.

4 Análise através da Linha de Carga (Reta de Carga)
Para este tipo de análise é preciso ter em mãos a curva característica do dispositivo (o que nem sempre é possível) e representa uma abordagem extensivamente utilizada em circuitos com transistores que serão estudados posteriormente. A idéia fundamental é traçar uma linha sobre a curva característica do diodo de modo a se alcançar uma solução gráfica para o ponto de operação (Q). Portanto, é necessário que esta linha “cruze” a curva do diodo. Esta linha pode ser traçada para diferentes carregamentos (cargas) daí o nome linha de carga.Particularmente, para uma carga linear, esta linha se torna uma reta e tem-se, então, a reta de carga.O circuito básico para a construção da reta de carga é ilustrado no próximo slide. Observar que a fonte de tensão (VTH) e o resistor de carga (RTH) podem representar o equivalente Thévenin de um circuito mais complexo. Léon Charles Thévenin (

5 Análise através da Linha de Carga (Reta de Carga)
Aplicando-se a lei de Kirchhoff para as tensões (KVL), neste circuito, tem-se: Gustav Robert Kirchhoff ( ) Analisando-se esta equação verifica-se que ela representa a equação de uma reta que pode ser traçada em um plano cartesiano que contém ID em função de VD, ou seja, a própria curva característica do diodo. O coeficiente angular é -1/RTH e o ponto de intersecção com o eixo y (ID) é VTH/RTH. O ponto de intersecção com o eixo x (VD) é VTH (basta fazer ID=0).

6 Análise através da Linha de Carga (Reta de Carga)
O ponto de intersecção com o eixo y (VTH/RTH) corresponde a uma situação em que o diodo estaria em “curto circuito” (VD= 0V) e é o maior valor de corrente que poderia circular através deste dispositivo. O ponto de intersecção com o eixo x (VTH) corresponde, agora, a uma situação em que o diodo se encontra em “circuito aberto” (ID= 0A) e é o maior valor de tensão que pode aparecer entre o seus terminais.

7 Análise através da Linha de Carga: Exemplo
Avaliar, no circuito a seguir, o ponto Q usando o conceito da reta de carga. O diodo utilizado é um diodo de sinal (1N4148) e T= TAMB = 300K. Aplicar o teorema de Thévenin entre os pontos A e B e reduzir o circuito a um circuito série. No cálculo de VTH usamos a lei do divisor de tensão e na avaliação de RTH a fonte de excitação deverá estar em repouso (no caso, V = 0).

8 Análise através da Linha de Carga: Exemplo
A partir do circuito equivalente, pode-se traçar a reta de carga. Para tanto, determinar os cruzamentos com os respectivos eixos de corrente e tensão. IDQ ≈ 2,4 [mA] e VDQ ≈ 0,65 [V]

9 Análise através dos Modelos: Exemplo
Utilizando o mesmo circuito, pode-se avaliar como ficariam os resultados para o ponto de operação de diodo para cada um dos modelos (ideal, simplificado e linear por partes). A equação da reta de carga não muda tendo em vista que ela depende de uma situação de curto circuito e de circuito aberto, portanto os seus pontos de intersecção continuam o mesmo. Análise através do Modelo Ideal Neste caso, o diodo é uma chave fechada. IDQ = 3[mA] e VDQ = 0[V]

10 Análise através do Modelo Simplificado
Neste caso, o diodo é uma chave fechada após a barreira ser vencida. IDQ = 2,3[mA] e VDQ = 0,7[V]

11 Análise através do Modelo Linear por Partes
Neste caso, o diodo é uma chave fechada após a barreira ser vencida e deve-se incluir a resistência AC média (rAV). Pela curva do diodo, rAV vale aproximadamente 17W e VT aproximadamente 0,6V (Adendo 3). IDQ = 2,37[mA] e VDQ = 0,628[V]

12 Análise envolvendo Superposição de Efeitos
Avaliar vD e iD: O sinal de entrada é a superposição de uma fonte DC de 25,7V com uma fonte senoidal de 2VPP com freqüência de 1KHZ. O diodo é de sinal (1N4148). Utilizam-se letras maiúsculas para representar sinais DC e letras minúsculas para representar sinais AC. Os valores das resistências estática e AC média, extraídas da curva característica do diodo são, respectivamente, 31W e IDQ=25mA. Se o sinal AC é incremental, ou seja, a variação de corrente representa no máximo 10% do valor de corrente quiescente, pode-se utilizar a resistência rd no lugar de rAV (Adendo 4) 12

13 Análise envolvendo Superposição de Efeitos
Circuito Equivalente DC: Fonte AC em repouso (vac= 0V): Circuito Equivalente AC: Fonte DC em repouso (VDC= 0V): O circuito equivalente AC estabelece as variações que irão ocorre no entorno do ponto Q. No caso: DVD= vd = 5,58mVPP e DID= id = 2mAPP O circuito equivalente DC estabelece o ponto de operação do diodo. No caso: IDQ=25,1mA e VDQ=778mV 13

14 Análise envolvendo Superposição de Efeitos
IDQ=24,92mA com DID= 2mAPP e VDQ= 780,3mV com DVD= 5,7mVPP Observar a aparente linearidade das formas de onda. Uma análise espectral (domínio da freqüência) seria necessária para avaliar a presença de harmônicas (distorção harmônica). Valor Médio Tensão e Corrente no Diodo – Resultado de Simulação 14

15 Dicas de Análise Ao se analisar circuitos com diodos é preciso saber, inicialmente, em que região (direta ou reversa) ele está polarizado. Uma técnica interessante consiste em: Substitua o diodo por um resistor e verifique o sentido da corrente convencional resultante. Se este sentido coincide com a seta do símbolo do diodo, está polarizado diretamente. Naturalmente, esta condição será verdade se as tensões aplicadas possuírem valores superiores a VT. Estando o diodo polarizado diretamente substitua-o pelo modelo mais adequado e calcule as tensões e correntes necessárias. Se o sentido de corrente estiver ao contrário da seta do o diodo o dispositivo estará polarizado reversamente. Substitua o o diodo por uma chave aberta e calcule as tensões e correntes necessárias. Obs: Sempre que possível, ter em mãos os valores limites (tensão e corrente) do diodo para avaliar se o dispositivo esta operando fora de seus limites seguros e garantidos. Utiliza-se a aproximação ideal quando o comportamento do diodo (ou a sua função) no circuito está sendo avaliado. São irrelevantes os níveis de tensão e corrente; A aproximação simplificada é a mais utilizada. Na maioria dos casos, as tensões e resistências envolvidas são maiores que VT e muito maiores que rAV o que leva a resultados bastante satisfatórios; A aproximação linear por partes deverá ser usada, obrigatoriamente, quando as resistências do circuito forem da mesma ordem de grandeza de rAV.

16 Adendo 1: Tipos de Resistores
retornar Resistores de Carvão: São os mais antigos e geralmente mais baratos. Neles, os grãos de carvão são misturados com um material de preenchimento e inseridos em um envoltório tubular. Nos primeiros resistores, o carvão era misturado com borracha vulcanizada, contudo, hoje utiliza-se um preenchimento cerâmico. O valor da resistência é determinado pela quantidade de carvão adicionada à mistura. Possuem uma faixa de tolerância maior (10% a 20%), ou seja, seu valor não pode ser determinado com muita precisão. São mais apropriados para aplicações que envolvem grandes picos de tensão, em relação a outros tipos de resistores. Resistores de Filme Metálico: São feitos de pequenos bastões de cerâmica revestidos por uma liga metálica ou de óxido metálico. O valor da resistência é controlado primeiramente pela espessura do revestimento (quanto mais espesso menor a resistência). Além disso, uma fina espiral pode ser cortada ao longo do bastão, por meio de um laser, criando uma longa tira, a qual formará efetivamente o resistor. Devido a este processo de fabricação, podem ser obtidos resistores com valores bem mais precisos (cerca de 1% de tolerância). Também existem os resistores de filme de carvão, similares aos de filme metálico, porém, mais baratos e menos precisos (5% de tolerância). Estes últimos são, sem dúvida, os mais utilizados em circuitos eletrônicos. Resistores de Fio: Tais resistores variam bastante em construção e aparência física. Seu elemento resistivo é geralmente feito de longos fios, principalmente de uma liga metálica chamada Nicromo (niquel + cromo), os quais são enrolados ao longo de um bastão cerâmico ou de fibra de vidro e revestidos por um cimento resistente ao calor. São fabricados para potências mais elevadas e resistências de menor valor. 16

17 Adendo 2: Código de Cores para Resistores
retornar Em algumas aplicações, é necessária a informação sobre o comportamento do resistor em função da temperatura. ppm (partes por milhão) 17

18 Adendo 3: Resistência AC Média (exemplo slide 11)
retornar 18

19 Adendo 4: Resistências Estática e AC Média (exemplo slide 12)
retornar 19

20 Adendo 5: Análise Interativa
Existe, ainda, uma análise para circuitos com diodos denominada de interativa. Embora possa levar a resultados mais precisos, para circuitos mais complexos, torna-se desconfortável (esforço e tempo exigidos) se realizada manualmente. Veja o procedimento através do exemplo do slide 8. Comparar os resultados.