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Diodos. Comparação: dispositivo linear - não linear 2 R D.

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1 Diodos

2 Comparação: dispositivo linear - não linear 2 R D

3 3 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 4 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 correntes. A resistência rd assume normalmente valores reduzidos. Id Vd 0,7V

5 5 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

6 6 Os semicondutores tipo p e n consistem num substrato (silício puro, p.ex.) ao qual foram adicionadas impurezas tipo P (elementos com 3 elétrons na última órbita) ou tipo N (elementos com 5 elétrons na última órbita) O díodo de junção pn consiste na junção de dois materiais, um semicondutor tipo p em contacto com um semicondutor tipo n

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8 8 Elétrons de valência

9 9 Semicondutores – tipo n e tipo p Átomos pentavalentes, como o Fósforo, o Arsénio, o Antimónio, etc., constituem impurezas doadoras do tipo n visto que deixam disponível o 5º elétron de valência que facilmente se torna um elétron livre. Ao contrário, átomos trivalentes, como o Boro, o Gálium, o Índio, etc., constituem impurezas aceitadoras do tipo p visto que deixam um lugar vago para um elétron de valência; designa-se por buraco ou lacuna

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11 11 A junção p-n em equilíbrio termodinâmico A junção dos dois semicondutores produz uma corrente de difusão de elétrons 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

12 12 Região de depleção Devido à recombinação entre elétrons 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 13 Junção polarizada diretamente Polarização direta pn Provoca o estreitamento da região de depleção e a diminuição da barreira de potencial. Facilita a passagem da corrente.

14 14 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 capacitor cuja carga é armazenada na região de depleção.

15 15 Díodo polarização + _ AK V CC Quando o díodo retificador está polarizado inversamente (Ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) não conduz (está ao corte). V CC + _ AK O díodo retificador é um componente unidireccional ou seja, só conduz num sentido (quando o Ânodo está a um potencial positivo em relação ao Cátodo). Nessa situação diz-se que o díodo está polarizado diretamente.

16 16 Leitura das características técnicas Exemplo: Díodo retificador 1N4007 V R = 1000V Tensão inversa máxima que se pode aplicar ao díodo em polarização inversa. I F = 1ACorrente directa máxima permanente que pode circular pelo díodo. I R = 5 ACorrente inversa que percorre o díodo quando polarizado inversamente V F = 1,1VQueda de tensão interna máxima quando o díodo polarizado diretamente conduz uma corrente direta de 1A.

17 17 Reta de carga V CC + _ +_ + _ RCRC VFVF IFIF Consideremos o circuito: -V CC + V F + R C.I F = 0 V F + R C.I F = V CC Encontra-se uma equação que relaciona V F e I F : V CC = V F + R C.I F Esta equação permite determinar os dois pontos da recta de carga, que sobreposta à curva característica do díodo, determinará o ponto de funcionamento (Q) do díodo.

18 18 Reta de carga Este é um método gráfico que permite que encontremos o ponto de funcionamento do díodo. Nota que a reta de carga depende do circuito (V CC e R C ) em que o díodo está inserido, enquanto que a curva característica é fornecida pelo fabricante. V CC = V F + R C.I F Tensão de corte I F =0 V CC =V F Corrente de saturação V F =0 I F =V CC / R C IFIF Reta de carga Tensão de corte Corrente de saturação Ponto de funcionamento (Quiescente) I FQ V FQ VFVF

19 19 Exemplo da determinação do ponto de funcionamento (Q) de um díodo V CC =3V + _ R C =750 IFIF V CC = V F + R C.I F Tensão de corte I F =0 V CC =V F V F =3 V Corrente de saturação V F =0 I F =V CC / R C I F =3 / 750 I F = 4 mA mA Q 2,5 1,1 Para as condições do circuito (V CC =3Volt e R C =750 ) e a curva característica representada, a corrente direta no díodo será de I FQ 2,5mA e a tensão direta será de V FQ =1,1V.

20 Aplicações de díodos 1. Retificadores 2. Ceifadores ou Limitadores e Grampeadores 3. Diodo Zener

21 1a.Retificador de ½ Onda D D D D O O O

22 1.b Retificadores ½ onda e onda completa O

23 Retificador de onda completa 23

24 Retificador de onda completa 24

25 Retificador de onda completa 25

26 Retificador de onda completa – Tensão média 26

27 Retificador de onda completa – Tensão média para díodos reais 27

28 Retificador de onda completa – Tensão reversa máxima 28

29 Retificador de onda completa com center tap 29

30 30

31 Retificador de onda completa com center tap 31

32 Ponte retificadora comercial 32 Ponte retificadora de média potência. Ponte retificadora de potência O orifício é para facilitar a instalação de dissipador es de calor Terminais da ponte retificadora Ponte retificadora vista por dentro E E S S Para obter corrente contínua é necessário filtrar (através de bobinas e/ou capacitores) a corrente contínua pulsante obtida na saída da ponte retificadora (S-S) Sinal na entrada (E) da ponte: Sinal na saída (S) da ponte:

33 1.c Conversor AC/DC 33

34 2.a Limitadores ou Ceifadores 34

35 Limitadores ou Ceifadores 35

36 Limitadores ou Ceifadores 36

37 Limitadores ou Ceifadores 37

38 Limitadores ou Ceifadores 38

39 Grampeadores 39

40 40 Região de polarização Inversa Se a tensão inversa aplicada a um díodo for muito forte, o díodo passa a conduzir, apresentando 2 efeitos: Efeito de Zener O campo eléctrico é suficientemente forte para gerar pares elétrons-lacuna na região de depleção. Resulta em díodos que operam com esta região bem definida. Efeito de Avalanche A energia cinética dos portadores minoritários sobe a influência do campo elétrico é suficiente elevada para quebrar as ligações covalentes.

41 41 3. Díodo Zener- Constituição Um díodo zener é constituído por uma junção PN de material semicondutor (silício ou germânio) e por dois terminais, o Ânodo (A) e o Cátodo (K). Símbolo:

42 42 Identificação visual dos terminais O terminal que se encontra mais próximo do anel é o cátodo (K). K K K A A A Tensão de zener (V Z = 27 V) Tensão de zener (V Z = 8,2 V)

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44 44 Princípio de funcionamento Díodo retificador se comportava quase como isolador quando a polarização era inversa. O mesmo se passa com o díodo zener até um determinado valor da tensão (V Z ), a partir do qual ele começa a conduzir fortemente. Qual será então o fato que justifica esta transformação de isolador em condutor? teoria do efeito de zener e o efeito de avalanche.

45 45 Principio de funcionamento Efeito de zener – ao aplicar ao díodo uma tensão inversa de determinado valor (V Z ) é rompida a estrutura atômica do díodo e vencida a zona neutra, originando assim a corrente eléctrica inversa. Este efeito verifica-se geralmente para tensões inversas V R < 5 Volt e o seu valor pode ser variado através do grau de dopagem (percentagem de impurezas) do silício ou do germânio. Efeito de avalanche – Para tensões inversas V R >7 Volt, a condução do díodo é explicada exclusivamente pelo efeito de avalanche. Quando se aumenta o valor da tensão inversa, aumenta também a velocidade das cargas elétricas (elétrons). A velocidade atingida pode ser suficiente para libertar elétrons dos átomos semicondutores, através do choque. Estes novos elétrons libertados e acelerados libertam outros, originando uma reação em cadeia, à qual se dá o nome de efeito de avalanche. Para tensões inversas V R, entre 5V e 7V, a condução do díodo é explicada cumulativamente pelos dois efeitos (efeito de zener e efeito de avalanche).

46 Diodo Zener 46 O

47 47

48 48 Utilização Se desejarmos alimentar uma carga qualquer com uma tensão invariável, perfeitamente isenta de qualquer variação ou flutuação, nada mais há do que montar o sistema constituído pelo díodo zener (polarizado inversamente) e a resistência limitadora R, de tal modo que o díodo fique em paralelo com a carga. R – Resistência que tem por função limitar a corrente no zener (I Z ). Rc – Resistência de carga (receptor) + _

49 49 Polarização O díodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante aos seus terminais (V Z ) sendo por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos. Saída estabilizada a 12 Volt Entrada não estabilizada de 15 a 17 Volt

50 50 O díodo zener como estabilizador de tensão Para que o díodo zener estabilize a tensão nos seus terminais deve-se ter em atenção o seguinte: O díodo zener tem que se encontrar polarizado inversamente (A e K ). A tensão de alimentação do circuito tem que ser superior à tensão de zener (V Z ) do díodo. A carga ou cargas do circuito têm que estar ligadas em paralelo com o díodo zener.

51 51 O díodo zener como estabilizador de tensão A corrente que circula pela resistência limitadora é a mesma corrente que circula pelo díodo zener e é dada pela expressão: I = (V E – V Z ) / R I = (15 – 10) / 500 I = 10 mA Para que ocorra o efeito estabilizador de tensão é necessário que o díodo zener trabalhe dentro da zona de ruptura, respeitando-se as especificações da corrente máxima. 500R I

52 52 Curva característica Os díodos zener são definidos pela sua tensão de zener (V Z ) mas para que possa existir regulação/estabilização de tensão aos seus terminais a corrente que circula pelo díodo zener (I Z ) deve manter-se entre os valores de corrente zener definidos como máximo e mínimo, pois se é menor que o valor mínimo, não permite a regulação da tensão e, se é maior, pode romper a junção PN por excesso de corrente. ZONA DE TRABALHO

53 53 Curva característica O gráfico de funcionamento do zener mostra-nos que, directamente polarizado (1º quadrante), ele conduz por volta de 0,7V, como um díodo comum. Porém, na ruptura (3º quadrante), o díodo zener apresenta um joelho muito pronunciado, seguido de um aumento de corrente praticamente vertical. A tensão é praticamente constante, aproximadamente igual a Vz em quase toda a região de ruptura. As folhas de dados (data sheet) geralmente especificam o valor de Vz para uma determinada corrente zener de teste Izt. ZONA DE TRABALHO

54 54 Curva característica Quando um díodo zener está a trabalhar na zona de ruptura, um aumento na corrente produz um ligeiro aumento na tensão. Isto significa que o díodo zener tem uma pequena resistência que também é denominada impedância zener (Z Z ). ZONA DE RUPTURA

55 55 Características técnicas Variando-se o nível de dopagem dos díodos de silício, o fabricante pode produzir díodos zener com diferentes tensões de zener. A utilização do díodo zener é limitada pelos seguintes parâmetros: V z – Tensão de zener (este valor é geralmente especificado para uma determinada corrente de teste I ZT ) I zmáx – Corrente de zener máxima I zmin – Corrente de zener mínima P z – Potência de dissipação (P Z = V Z x I Z ) Desde que a potência não seja ultrapassada, o díodo zener pode trabalhar dentro da zona de ruptura sem ser destruído.

56 56 Díodo zener ideal Na primeira aproximação, podemos considerar a região de ruptura como uma linha vertical. Isto quer dizer que a tensão de saída (V Z ) será sempre constante, embora haja uma grande variação de corrente, o que equivale a ignorar a resistência zener. Isto significa que num circuito o díodo zener pode ser substituído por uma fonte de tensão com resistência interna nula. V I

57 57 Díodo zener real Na segunda aproximação deve ser levada em consideração a resistência zener (R Z ) em série com uma bateria ideal. Isto significa que quanto maior for a corrente, esta resistência produzirá uma queda de tensão maior. Isto quer dizer que na região de ruptura a linha é ligeiramente inclinada, isto é, ao variar a corrente haverá uma variação, embora muito pequena, da tensão de saída (V Z ). Essa variação da tensão de saída será tanto menor quanto menor for a resistência de zener. V I

58 Zener x diodo comum 58

59 Limitadores ou Ceifadores com zener 59

60 Limitadores ou Ceifadores com zener 60

61 61 Díodos especiais Schottky-barrier díodo Metal semicondutor tipo n Para dopagem elevada não se produz díodo (contatos ohmicos) Vd de 0.3 a 0.5V Muito utilizado em circuitos de Arseneto de Gálio (As-Ga) Varactors Capacitores variáveis por tensão (sistema de modulação FM) Photodiodes Díodo polarizado inversamente Fótons incidentes na região de depleção geram pares elétrons- lacunas que transportam corrente (sensores de luminancia) Polarização direta corresponde às células solares LEDs A recombinação de pares elétrons lacunas gera fótons Led+photodiodo = isolador óptico

62 Led - Light Emitting Diode 62

63 63 Historial do led Inventado em 1963Led de cor vermelhaIntensidade luminosa: 1 mcd (milicandela) O led só era utilizado para a indicação do estado dos equipamentos, ou seja, em rádios, televisores e outros equipamentos, sinalizando se o aparelho estava ligado ou não. Fim dos anos 60Led de cor amarela Dezenas de milicandela 1975Led de cor verde Anos 80Leds da cor vermelha e âmbar Maior intensidade luminosa com a introdução da tecnologia Al ln GaP Substituição de lâmpadas, principalmente na indústria automóvel. Início dos anos 90Leds de cores azul, verde, cyan e branco Com o surgimento da tecnologia InGaNSubstituição de alguns tipos de lâmpadas em várias aplicações de iluminação. No final do anos 90Leds que cobrem todo o espectro de cores Fluxo luminoso da ordem de 30 a 40 lúmen e com um ângulo de emissão de 110 graus. Leds que atingem o fluxo luminoso de 120 lúmen, uma potência de 1, 3 e 5 watt, estando disponíveis em várias cores, e sendo responsáveis pelo aumento considerável na substituição de alguns tipos de lâmpadas em várias aplicações de iluminação.

64 64 Se comparamos a uma lâmpada de incandescência comum, o LED não tem filamento e o seu funcionamento é muito diferente. Ao ser aplicada uma tensão geram luz, devido ao movimento dos elétrons dentro do material semicondutor. A luz gerada pelo led é originada através do aquecimento destes semicondutores por uma pequena corrente eléctrica que o percorre. Led visto por dentro Pastilha semicondutora Copo reflector Lente de Epoxy (invólucro exterior) Terminais de alimentação Fio de ouro

65 65 A luz emitida por um led é praticamente monocromática, sendo possível fabricá-los com luz de diferentes cores, alterando a composição química do material semicondutor. Os leds mais comuns são feitos de ligas de: Gálio (Ga);Arsénio (As); Alumínio (Al);Índio (In); Nitride (N);Fósforo (P).

66 66 A emissão da luz de cor branca pode ser feita mediante a mistura de vermelho, verde e azul (RGB) podendo-se conseguir qualquer cor, incluindo o branco. O RGB (Red Green Blue) é a tecnologia capaz de emitir luz numa variedade quase infinita de cores a partir da combinação das três cores fundamentais.

67 67 Os leds são semicondutores que convertem a energia elétrica em luz de cor, alimentados a 12V, 24V ou 230 V, de acordo com os dispositivos de interface. Um led não deve ser ligado diretamente a uma tomada de tensão elétrica comum (residencial). O led trabalha com tensões muito baixas e a sua alimentação precisa de ser em corrente contínua e não em corrente alternada que é o caso das tomadas elétricas comuns. Por isso é sempre necessário o uso de uma fonte de alimentação ou interface (transformador ou um driver) que converta as características de alimentação de uma tomada comum para um padrão adequado ao funcionamento do led. Um led acende quando está polarizado directamente ou seja, o ânodo (A) está positivo em relação ao cátodo (K). Quando polarizado inversamente um led não acende. A K

68 68 Exemplo: Led vermelho ELD Valores máximos: I F =50 mA; V F =2,7 V; V R =5 V; P D =120 mW Ângulo de visualização: 25º Comprimento de onda: 670 nm Intensidade luminosa: 250 mcd Os parâmetros principais a considerar num led são essencialmente: Cor; Tensão directa (V F ) e Tensão inversa (V R ) [V DC]; Corrente directa (I F ) e Corrente inversa (I R ) [A]; Potência de dissipação (P D ) [W]; Ângulo de visualização; Comprimento de onda [nm]; Temperatura de cor [K]; Intensidade luminosa [cd] ou Fluxo luminoso [lm]

69 69 Vantagens dos leds, relativamente às restantes fontes de luz: Maior vida útil ( horas) e consequente baixa manutenção; Baixo consumo (relativamente às lâmpadas de incandescência) e uma eficiência energética (em torno de 50 lúmen/Watt); Não emitem luz ultra-violeta (sendo ideais para aplicações onde este tipo de radiação é indesejada. Como por exemplo, quadros e obras de arte; Não emitem radiação infravermelha, fazendo por isso que o feixe luminoso seja frio. Resistência a impactos e vibrações: Utiliza tecnologia de estado sólido, portanto, sem filamentos e sem vidro, aumentando a sua robustez. Maior segurança, já que trabalham em baixa tensão (< 33V). Proporcionam segurança para os utilizadores durante a sua instalação e utilização.

70 70 Desvantagens dos leds, relativamente às restantes fontes de luz: Custo de aquisição elevado, caso a aplicação seja desadequada; O índice de restituição de cor (IRC) pode não ser o mais adequado; Necessidade de dispositivos de dissipação de calor, nos leds de alta potência (a quantidade de luz emitida pelo led diminui com o aumento da temperatura). Dissipador de calor num led de alta potência.

71 Display de 7 segmentos 71 O display de sete segmentos é um invólucro com sete leds com formato de segmento, posicionados de modo a possibilitar a formação de números decimais e algumas letras utilizadas no código hexadecimal. A figura representa uma unidade do display genérica, com a nomenclatura de identificação dos segmentos usual em manuais práticos.

72 72 Cátodo comumÂnodo comum O display pode ser do tipo ânodo comum, ou seja os terminais ânodo de todos os segmentos estão interligados internamente e para o display funcionar, este terminal comum deverá ser ligado em Vcc, enquanto que o segmento para ligar precisa de estar ligados no GND. Já o display cátodo comum, é o contrário, ou seja, o terminal comum, deverá ser ligado ao GND e para ligar o segmento é necessário aplicar Vcc ao terminal. Actualmente, o display mais comercializado é o do tipo ânodo comum. Entre as tecnologias de fabrico das unidades de display o mais comum é o display a led, que possui cada segmento composto por um led, conforme as figuras.

73 73 O display de sete segmentos, é formado por sete leds, dispostos em forma de oito. Quando se necessita de acender o número 0, ligam-se os leds correspondentes ao digito 0, por exemplo, os segmentos a, b, c, d, e, f.

74 74 Como os segmentos são leds, então precisamos de limitar a corrente, para isso devemos usar uma resistência em cada segmento. A corrente utilizada, depende do brilho que queremos do display, normalmente utilizam- se resistências entre 220 e 560 ohms, para uma fonte de 5Volt, o que equivale a uma corrente entre 9mA a 20mA. Não devemos usar valores de resistência muito baixo, pois estaremos a reduzir a vida útil do display, inclusive podemos queimar o segmento. Se for usar um display, teste antes cada segmento, para ter a certeza que não está a usar um display com algum segmento queimado.

75 75 Um dispositivo electrónico muito usado com os displays de 7 segmentos é o descodificador BCD-7segmentos. O descodificador tem a função de interpretar um código (BCD) e gerar os sinais para ligar o digito correspondente a este código no display de 7 segmentos. Por exemplo: Entrada do descodificador em BCD (Decimal Codificado em Binário) – 0000 Saída do descodificador para o display de 7 segmentos g f e d c b a Note que a saída do descodificador corresponde a ligar os segmentos do digito 0 de um display do tipo cátodo comum. Os descodificadores comerciais disponíveis são: 7447 (ânodo comum) e 7448 (cátodo comum). Descodificador BCD – 7segmentos Entrada do descodificador (0 em BCD) Saída do descodificador para o display de 7 segmentos (dígito 0)

76 76 Descodificador BCD – 7 segmentos. Circuito integrado 7448

77 77 Muitas aplicações que utilizam displays de sete- segmentos, necessitam de vários displays. Isto implica um consumo grande de energia. Uma solução adoptada e muito simples é multiplexar os displays. O que significa multiplexar? Multiplexar, significa activar um display de cada vez, alternar o funcionamento dos displays. Portanto, cada display ficará ligado por um espaço de tempo e depois apagará, mas isto é feito a uma frequência que a visão humana não consegue perceber, ou seja, se os displays estiverem a ser multiplexados com uma frequência de 50 Hz ou maior, a visão humana terá a impressão que todos os displays estão ligados, mas na realidade quando um liga os outros estão desligados.

78 78 Display matriz de ponto A matriz de ponto é muito semelhante ao display, ou seja, é uma matriz de leds no formato 7x5, só que ao contrário do display de 7 segmentos, não se consegue ligar todos os leds ao mesmo tempo, só uma coluna de cada vez. Logo precisa-se multiplexar as colunas, para ver o carácter no display.

79 Def.: Valor eficaz 79

80 Livro 80 Principal Fonte para este material


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