Prévia do material em texto

Eletrônica analógica UNIDADE 1 - FÍSICA DE SEMICONDUTORES, DIODOS E RETIFICADORES Autoria: Sofia Maria Amorim Falco Rodrigues - Revisão técnica: Anderson Marcolino Pereira de OliveiraIntrodução 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! 1.1 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, observou-se 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 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! 1.1.1 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 físico- químicas. Dessa maneira, um material semicondutor pode ser caracterizado por possuir uma banda de valência cheia e uma banda de condução vazia quando T=0, 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! Energia Elétrons Banda de condução para estabelecer condução E g Elétrons de valência ligados à estrutura Banda de valência atômica = 1.1 e V (Si) e V (Ge) e V (GaAs) Semicondutor Figura 1 - Níveis de energia discretos para semicondutores Fonte: NASHELSKY, 2013, p. 4.#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 Eg. 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 Eg, e a banda de condução. Entre os materiais, 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) 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! 1.1.2 Materiais extrínsecos dos tipos p e n processo de adicionar um número pré-determinado 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 p 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 p 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, observa-se um predomínio maior de lacunas (espaços vazios) que aceitarão com rapidez e facilidade os elétrons livres NASHELSKY, 2013). Já os materiais do tipo n 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 NASHELSKY, 2013). 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 físico-químicas devido às relações estabelecidas nas novas ligações atômicas, tratam-se 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. Ademais, os portadores majoritários e minoritários para cada um dos materiais dependerão das relações de doação e recepção estabelecidas pelas novas ligações. Você quer ver?Para entender como são fabricados os circuitos integrados, iguais aqueles utilizados em processadores de computador, assista ao vídeo Visitamos 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 (https://www.youtube.com/watch? v=AuUOrrW8YOU) Agora que pudemos compreender sobre os materiais extrínsecos dos tipos p 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. Trata-se da junção 1.1.3 Junção pn A junção pn, 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, que um diodo semicondutor é formado, basicamente, por uma junção dos dois materiais anteriores com um terminal correspondente a cada um. Sabe-se 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. Observa-se, ainda, que, dependendo da forma como a polarização da junção pn 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, VD = 0 V. 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 NASHELSKY, 2013). A baixa corrente estabelecida nessa configuração recebe o nome de corrente de saturação (Is) por conta do comportamento de saturação dado pelo dispositivo. Com isso, temos a relação VD 0 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 pn mencionadas até aqui.Região de depleção - - - + + + Contato + - metálico p n mA - (sem polarização) Fluxo de portadores minoritários 0A majoritários + + - + + Vo + p n Região de depleção p n * * S - + (Oposto) V + / / = / majoritários majoritários S + - + + + - D + + + + - p n Região de depleção n + (Similar) + V D Figura 2 - Possibilidades para o funcionamento da junção pn Fonte: NASHELSKY, 2013, p. 8-9. #PraCegoVer: na figura, temos a junção pn representada em três possibilidades, sendo elas sem polarização, polarização reversa ou direta. O material do tipo p se encontra acima, enquanto o do tipo n está no meio. O caso sem polarização mostra a região de depleção formada em torno da junção, com VD = 0 V, sem Já no meio, temos a polarização reversa com o material ligado ao terminal negativo, e o material n ligado ao terminal positivo da fonte, com corrente majoritária nula e uma pequena corrente de saturação circulando. Por último, na parte de baixo, tem-se a polarização direta da junção, com o material ao terminal positivo, e o n ao negativo, permitindo a condução devido à diminuição da região de depleção na junção dos materiais.Sabe-se, ainda, que a corrente no diodo pode ser definida para as polarizações direta e reversa como KVD em uma a o uso que K é constante igual 11.600/n. Usamos de 1 para 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 NASHELSKY, 2013). Você sabia? É a possibilidade de variação da condutividade em um material semicondutor, a partir da presença de átomos diferentes no cristal que se tem a fabricação de diversos dispositivos eletrônicos pelo mesmo material semicondutor, como o silício. 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? Vamos Praticar! Vamos entender na prática como podemos considerar, no projeto do dispositivo, a circulação de corrente elétrica a qual ele estará sujeito? Para -0-0-0- tanto, suponha que, no projeto de um novo diodo de silício, seja necessário estimar a capacidade de condução de corrente desse material. 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!1.2 Diodos semicondutores Um diodo semicondutor é formado por uma junção pn, 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. 1.2.1 Visão geral sobre diodos semicondutores Analisando um diodo ideal, observa-se 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 0,7 V para diodos de silício), para superação da região de depleção em polarização direta 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. Observa-se que a tensão na carga poderá ser calculada aplicando o Teorema de Thévenin, considerando ou não os 0,7 V. Entretanto, na maior parte dos casos, poderá ser necessário considerar outros aspectos da junção pn e dos próprios materiais semicondutores, de modo que se sugere que o diodo seja modelado considerando os 0,7 V e, ainda, uma resistência de corpo (RB). Quando a tensão no diodo for maior do que 0,7 V, este conduzirá e apresentará a seguinte queda de tensão: VD 0,7 + RBID. 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, estima-se a seguinte relação, analisando o restante do circuito ao qual o diodo está associado, de 1% do circuito, ou seja: RB 0,01 A figura na sequência apresenta um resumo do funcionamento do diodo, considerando a queda de tensão e a resistência.D 0,7 V + B POLARIZAÇÃO REVERSA 0,7 V 0,7 V R + B POLARIZAÇÃO DIRETA Figura 3 Aproximação para o diodo Fonte: MALVINO; BATES, 2016, p. 82. na figura, do lado esquerdo, um gráfico da tensão VD em função da corrente ID, em que, até 0,7 V, o diodo não possui corrente, mas, a partir dessa tensão, a corrente é dada por uma reta com inclinação de Do lado direito, 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 0,7 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! 1.2.2 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, sabe-se 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 0,7 V possui uma "transição" diferente e forma a região de "joelho" entre saturação e condução. Começando pela tensão de ruptura reversa, tem-se neste parâmetro o valor de segurança no caso de polarização reversa. Para o diodo 1N4001, por exemplo, VRRM (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, IF(VA) (corrente direta retificada média), com demonstrando que o dispositivo pode conduzir até 1 A, semelhantemente ao valor anterior. Trata-se, inclusive, de um valor máximo que não deve ser alcançado na prática, por segurança. A queda de tensão direta (VF), por sua vez, é o valor para quando o dispositivo apresentar corrente máxima direta. No caso do 1N4001, 1,1 V para 1 A. De forma semelhante, a corrente reversa máxima (IR) denota o valor à VRRM que, no caso do 1N4001, é 10 A em 25°C, podendo chegar a 50 A em 100°C.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 RB 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 RF, enquanto que, em polarização reversa, encontramos Por isso, também são chamadas de resistência direta e reversa, respectivamente NASHELSKY, 2013; MALVINO; BATES, 2016). Ademais, observa-se 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 p 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. Tensão reversa Com Corrente máxima reversa à plena carga Com 30 Corrente reversa com VR Para e 100°C 5 e 50 Capacitância total Com V e f=1 MHz 15 pF Quadro 1 Exemplos de características dos diodos, conforme datasheet da família 1N4001-1N4007 Fonte: Elaborado pela autora, 2020. #PraCegoVer: no quadro, temos quatro colunas e quatro linhas. Na primeira linha, informa-se VF com tensão reversa para 1 A de corrente, que valerá 1,1 V; na segunda linha, temos Irr com corrente máxima reversa à plena carga para a temperatura de 75°C, que é de 30 na terceira linha, que é a corrente reversa com VR para 25°C e 100°C, igual a 5 e 50 respectivamente; e, na última linha, encontramos CT com capacitância total, 4 V e 1 MHz, dado por 15 pF. 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 Para compreender como a relação da funciona na prática, considere um diodo ligado à uma fonte de corrente contínua com tensão Vs, com resistor Rs e em série com um diodo. Sendo a tensão na fonte de 2 V, resistência de 100 por exemplo, e tensão no diodo nula, observa-se 20 mA de corrente no circuito e, consequentemente, sabe-se o ponto de saturação. Já o ponto de operação que também é chamado de ponto Q - corresponde à intersecção que 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, tem-se VD = 2V. O método das retas de carga para o exemplo é visto na próxima figura.CURVA DO DIODO 30 mA SATURAÇÃO 20 mA (PONTO DE OPERAÇÃO) o 12,5 mA 10 mA CORTE 0 0,75 V 1V 2V Figura 4 - Curva do diodo real e a reta de carga Fonte: MALVINO; BATES, 2016, p. 92. 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, tem-se tensão nula (ponto de saturação); em 0,75 V, tem-se 12,5 mA e o encontro com a reta de carga (ponto de operação); e em 2 V, tem-se 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. 1.2.3 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 conhecê-los de acordo com as explicações de Malvino e Bates (2016)? Ceifadores não polarizadosUsados 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). Ceifador positivo Retira as partes positivas do sinal de entrada, formado por uma resistência de entrada Rs junto à uma fonte, senoidal por exemplo, com de tensão de pico, além do diodo em paralelo com uma carga RL Ceifador negativo 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. Tratam-se 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: 100RBRs +V +V 0 (a) V (out) 20V V Figura 5 Circuito ceifador negativo Fonte: MALVINO; BATES, 2016, p. 119. 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 Vp de pico. A fonte no circuito está em série com um resistor Rs, sendo que o diodo retificador usado é paralelo à carga, representada por RL, 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 -0,7 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, tem-se 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). 1.2.4 Tipos principais de diodos e diodos comerciaisO 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, torna-se 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 e/ou circuitos, nos quais o principal objetivo é manter a tensão constante ou o mais próximo possível. Considerando-se, então, seu funcionamento, na região de fuga - que corresponde o zero até a ruptura - temos uma nova relação tensão-corrente. 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! V Figura 6 Diodo Zener Fonte: MALVINO; BATES, 2016, p. 158. #PraCegoVer: na figura, do lado esquerdo, temos as duas representações em circuito mais comuns do diodo Zener. Já do lado direito, tem-se 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, no gráfico marcados os valores de e das correntes e A próxima figura, por outro lado, traz um exemplo prático de um circuito regulador de tensão, utilizando o diodo Zener.Rs Fonte + + de Vs alimentação Figura 7 Circuito simples regulador de tensão Fonte: MALVINO: BATES, 2016, p. 145. #PraCegoVer: na figura, temos uma fonte de alimentação com tensão ajustável, de amplitude Vs em série com um resistor para controle e interface Rs. Em seguida, tem-se 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! Teste seus conhecimentos (Atividade não pontuada) Partindo para a optoeletrônica, 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, sabe-se que seu funcionamento básico pode ser explicado a partir de um circuito simples, formado por uma bateria, um resistor e o LED em 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. Você quer ler? O artigo Diodos Emissores de Luz e Concentrações de BAP na Multiplicação In Vitro de Morangueiro, escrito por Paulo Sérgio Gomes da Rochal, Roberto Pedroso de Oliveiral, Walkyria Bueno Scivittarol e Ulisses Lyra dos Santos, tem como principal objetivo analisar aspectos específicos do cultivo de morangos como o uso de BAP (6-benzilaminopurina) e a capacidade de auxílio dos LEDsno contexto. Para entender melhor sobre o assunto e se aprofundar na temática, clique no botão abaixo e leia o texto na íntegra! Acesse Por último, tomando como exemplo os diodos Schottky, tem-se 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. Vamos Praticar! 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 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 Q. Deseja-se 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: 12,5 e 37,5 mA. Isso porque a corrente mínima é dada quando a tensão na fonte é mínima. Além disso, deve-se descontar a tensão de ruptura do diodo. Assim, pela Lei de Ohm, tem-se 12,5 mA. Por outro 20-10 800 lado, a corrente máxima é dada quando a tensão na fonte é máxima, tal que 40-10 se tem a seguinte corrente máxima no diodo: mA. 1.3 Retificadores A partir de agora, você conhecerá uma das principais classes de aplicações dos diodos: a retificação CA/CC. 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).Você o conhece? 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). A potência em corrente alternada (PCA) pode ser definida em função dos valores RMS - também chamados de eficazes - da tensão e da corrente de saída, em que temos PCA = 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 1.3.1 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, tem-se o seguinte circuito e as formas de onda correspondentes nos elementos:V + +V m + fonte AC TT 2TT 3TT wf - 0 -V m T +V m V o(avg) wf 0 wf 0 wf 0 -V Figura 8 Circuito retificador meia onda com carga resistiva Fonte: AHMED, 2008, p. 150. #PraCegoVer: na figura, temos, do lado esquerdo, o circuito com a fonte Vs 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 Vo(avg), sendo Vs a tensão RMS de alimentação do circuito, e VM o máximo que a fonte fornece. Assim, nesse caso de carga resistiva Vo(avg), Ahmed (2008) nos explica que teremos a seguinte expressão: = Já para a corrente, tem-se que, para = valor RMS da corrente dado por IRMS R 2 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 PIV > = A potência de saída média, por sua vez, pode ser dada pela seguinte relação: Po(avg) = Vo(avg) X Io(avg) Similarmente, a potência de entrada se dá porPara avaliar a qualidade da tensão de saída, além da própria eficiência, outras medidas são sugeridas, como o fator de forma (FF), que temos ; e o fator de ondulação (RF), resultando em em Note que é desejável que a tensão RMS seja igual à média. Considerando-se a carga resistiva, o fator de ondulação (RF) pode ser reescrito como RF = 1. Temos, ainda, que a quantidade de pulsos é dada pela frequência fundamental de ondulação, dividida pela frequência da fonte. 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, utiliza-se 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, ressalta-se 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". 1.3.2 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:1:2 1 V S + + R wt + - + V +V m V (avg) wt D1 wt wt = m R wt 0 TT 2 3TT 1 1 ligado ligado ligado VD1 wt m VD2 wt m Figura 9 Circuito retificador de onda completa com transformador central Fonte: Elaborada pela autora, baseada AHMED, 2008. #PraCegoVer: na figura, do lado esquerdo, tem-se 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, tem-se as formas de onda da tensão de entrada (pico VM) e da tensão de saída, com semiciclos positivo e negativo igual a um positivo (pico VM e valor da tensão média). As correntes de ID1 e ID2 têm relação direta quanto à quando os dispositivos disparam. Encontramos, junto, a corrente de saída (pico de IM), assim como as tensões de saída nos dois diodos.Rashid (2014) menciona que a tensão de saída é dada por Vo(avg) = 2VM 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, observa-se, ainda, que o valor nominal da relação de PIV será dada por PIV > 2VM, ao passo que a corrente média do diodo é ID1(avg) = ID2(avg) = Io(avg) Por último, a RMS é ID(RMS) Com relação à potência média entregue à carga, tem-se que esta será de Po(avg) = Já para a potência AC, temos 2R 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, ID(RMS) = Io(avg) 2 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:+ + Vs +V S m 1 2 R o wt -V TT 2TT 3TT 3 4 - +V 1:1 m wt D3 wt wt wt D3 1' 4 D3 3 ligado ligado ligado wt V m wt Figura 10 - Retificador de quatro pulsos para uma carga resistiva Fonte: Elaborada pela autora, baseada em AHMED, 2008. #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 1:1. 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, tem-se as formas de onda correspondentes da tensão da fonte (pico VM), da tensão de saída (pico VM), 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 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 PIVAssim, 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. 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 VR(avg) Já a corrente média é obtida pela divisão por R. Dessa forma, a corrente RMS é dada por IRMS Io(max) Io(avg) Como os diodos conduzem de forma alternada, tem-se que e ID(RMS) Io(avg) Caso 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, sugere-se 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, tem-se 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. 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!S VAB VBC VCA L(m) 0° wt 120° 240° 300 360° (a) VCB VAB Tensão de referência no terminal B 0° wt 60° 300° 360° Figura 11 Formas de onda da fonte de tensão trifásica Fonte: 2008, p. 236. #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 VAB, VBC e VCA, com pico máximo em Na parte inferior, tem-se as tensões de linha VAB e VCB somente, com tensão de referência no terminal B dada pela VAB das defasagens. 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.Tensão positiva Tensão negativa Diodos ligados Período mais alta mais alta Pares 0 a 60° C B D5 D6 60 a 120° A B D1 D6 120 a 180° A C D1 D2 180 a 240° B C D3 D2 240 a 300° B A D3 D4 300 a 360° C A D5 D4 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. #PraCegoVer: no quadro, temos cinco colunas e oito linhas. Na primeira coluna, há o período (de 0 a 360°), 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 60° está para C, B, D5 e D6, respectivamente. 60 a 120° está para A, B, D1 e D6, respectivamente. 120 a 180° está para A, C, D1 e D2, respectivamente. 180 a 240° está para B, C, D3 e D2, respectivamente. 240 a 300° está para B, A, D3 e D4, respectivamente. Por fim, 300 a 360° 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, define-se 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 Na figura a seguir, temos a forma de onda da saída desse circuito em comparação com aVCB VAB VAC VBC VBA VCA =1/2 wt 0° 60° VBC BA VCA VCB VAB VAC L(m) (a) max 1,414 = min = wt 0° 60° 120° 180° 300° 360° Figura 12 Forma de onda da tensão de saída em comparação com a entrada Fonte: AHMED, 2008, p. 238. #PraCegoVer: na figura, na parte superior, encontramos a tensão de entrada, trifásica e senoidal, representada pela sequência ABC. As tensões VL(M) positiva e negativa também são vista, sendo que a positiva é dada por Já na parte inferior, tem-se 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 1,414 0,955 VL(M) ou 1,35 Vs e 1,225 Vs, respectivamente. A corrente na carga é dada Similarmente, a corrente média em cada diodo será ID(avg) = 3 , ao passo que a RMS será =Para esse circuito, tem-se, ainda, que o fator de ondulação é de RF 0,0404. A frequência dessa ondulação será dada por Por último, mas não menos importante, a tensão máxima de bloqueio de um diodo é dada por Teste seus conhecimentos (Atividade não pontuada) Como vantagens gerais de retificadores trifásicos, com base em Ahmed (2008) e Rashid (2014), é possível apontar: 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. 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. Vamos Praticar! 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, atentando-se sempre às possíveis sensibilidades da carga. Vamos tentar?! ConclusãoChegamos 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: 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. Referências 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: Prentice-Hall, 2013. CHAGAS, A. P. Os 200 anos da pilha elétrica. Química Nova, São Paulo, V. 23, n. 3, p. 427-429, maio/jun. 2000. Disponível em: (https://www.scielo.br/pdf/qn/v23n3/2832.pdf). 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. 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: https://www.scielo.br/pdf/cr/v40n9/a699cr2985.pdf Acesso em: 20 nov. 2020. VISITAMOS o museu da Intel! Veja como é feito um chip e conheça a história da empresa. [S. [s. d.]. 1 vídeo (17 min). Publicado pelo canal Adrenaline. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=AuUOrrW8YOU (https://www.youtube.com/watch? v=AuUOrrW8YOU). Acesso em: 23 nov. 2020.