Eletronica e Instrumentação - Semicondutores

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ELETRNICA E INSTRUMENTAO

CH 40H

Engenharia de Mecnica

Eng Edem James de Campos Oliveira

Material que fica no limite entre os condutores e os isolantes ou seja a

propriedade atribuda a eles define sua relao com isolantes e condutores a

condutividade eltrica.

1.1. Materiais semicondutores

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Condutividade eltrica

Capacidade de conduzir cargas eltricas (corrente eltrica) quando submetido uma diferena de

potencial eltrico (tenso eltrica).


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A resistncia que um material apresenta ao fluxo de uma corrente eltrica (resistividade eltrica)

inversamente proporcional sua condutividade eltrica.


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Enfim, um semicondutor um material que possui valores tpicos de condutividade eltrica e

resistividade eltrica numa faixa entre os extremos definidos por materiais considerados isolantes e um

condutores.


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MATERIAIS INTRNSECOS E MATERIAIS EXTRNSECOS

Quando um material semicondutor totalmente puro, ele chamado de material intrnseco e quando

ele possui alguma impureza ele chamado de material extrnseco.

Os materiais extrnsecos possuem impurezas adicionadas de propsito, o que altera a sua estrutura

atmica, alterando sua resistividade. Os materiais extrnsecos podem ser do tipo N ou do tipo P.


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MATERIAIS INTRNSECOS E MATERIAIS EXTRNSECOS

Os materiais extrnsecos possuem impurezas adicionadas de propsito, o que altera a sua estrutura

atmica, alterando sua resistividade. Os materiais extrnsecos podem ser do tipo N ou do tipo P.


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1.2 - O Diodo Semicondutor

O mais simples componente obtido a partir de semicondutores um componente eletrnico que tem a

funo de deixar a corrente passar, quando polarizado num sentido, e de bloquear a passagem da

corrente se polarizado no sentido oposto.

Os terminais do Diodo so chamados de anodo e catodo,

As formas comerciais mais comuns para os Diodos

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Se conectar o Diodo a uma fonte de tenso os eltrons da barra N so repelidos pelo terminal negativo da

fonte e se deslocam em direo barra P. Da mesma forma as lacunas da barra P so repelidas pelo

terminal positivo da fonte em direo barra N. Ao chegarem regio da juno entre as barras, os

eltrons de N saltam para as lacunas em P e continuam a se deslocar em direo ao terminal positivo da

fonte, saltando de lacuna em lacuna. Quando um eltron deixa a barra N, entrando na barra P, ele abre um

espao na barra N que prontamente preenchido por um novo eltron vindo do terminal negativo da fonte.

Assim a corrente entre os terminais da fonte se estabelece. Dizemos que o Diodo est diretamente

polarizado.



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Se agora ns conectarmos a fonte de tenso conforme a figura 5, os eltrons da barra N so atrados pelo

terminal negativo da fonte e se afastam da juno com a barra P. Da mesma forma as lacunas da barra P

so atradas pelo terminal positivo da fonte e tambm se afastam da regio de juno com a barra N.

Assim, no tem lacunas + eltrons na regio da juno para se combinarem e portanto no tem como

passar corrente de uma barra para outra. Dizemos que o Diodo est reversamente polarizado.

Se a tenso reversa for aumentada haver um valor chamado de

tenso de ruptura em que o diodo retificador (feito para s

conduzir em um sentido) passa a conduzir intensamente no

sentido reverso. Isto ocorre devido liberao progressiva

de eltrons de valncia causada pela corrente de fuga. Este

movimento chega a um ponto em que passa a existir uma

avalanche de eltrons em direo ao plo positivo

destruindo o componente. Diodos comerciais para retificao

quase sempre possui tenso reversa acima de 50 V. (VRRM -

tenso reversa repetitiva mxima).


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Na prtica a coisa funciona um pouco diferente. Quando o diodo est sem conexo fonte, alguns eltrons livres da barra N

saltam para as lacunas prximas da juno, na barra P. como um vago de trem lotado. Ao se abrir a porta algumas

pessoas so empurradas para fora pela "presso interna de pessoas". Quando isto acontece, este eltron que atravessou a

juno deixa o espao equivalente a uma lacuna da barra N. Ou seja, podemos dizer que alguns eltrons saltam para a

barra P e a mesma quantidade de lacunas aparece na barra N. Esta recombinao das cargas prximo juno (dos dois

lados), provoca o aparecimento de uma regio pobre em portadores de carga. Esta regio chamada de zona de depleo,

que em portugus quer dizer "falta". Como no tem portadores de carga, uma regio com dificuldade de conduo de

corrente. Outro efeito que ocorre com esta "invaso" de eltrons e lacunas e o aparecimento de uma pequena tenso

chamada de tenso intrnseca da juno que causa o aparecemento do campo eltrico E e tende a puxar de volta os

eltrons que foram para P e as lacunas que foram para N. Chega um momento que esta tenso se equilibra com a

quantidade de eltrons e lacunas que se deslocaram e a juno se "fecha".


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Para Diodos de silcio, esta tenso da ordem de 0,7V. Para Diodos de germnio, esta tenso da ordem

de 0,2V.A tenso intrnseca de juno uma caracterstica ruim para os diodos pois aparece como uma

ddp em seus terminais e ao passar corrente pelo Diodo vai acontecer uma dissipao de potncia dada

por Vintrnseca x I. Como exemplo, se voc passar uma corrente de 1A por um Diodo de silcio, vai

acontecer uma dissipao de 0,7V x 1A = 0,7W. Esta dissipao representa aquecimento desnecessrio e

perda de energia. Os fabricantes disponibilizam alguns Diodos especiais que, mesmo sendo de silcio,

conseguem reduzir esta tenso intrnseca, podendo chegar a 0,15V. Estes Diodos so chamados de

Diodos Schottky.

Os retificadores convencionais esto na casa dos 10 s

Acima de 500 at 1000 ns ficam os diodos de mdia velocidade

Entre 50 e 500 ns ficam os diodos rpidos (fast) Abaixo de 50 ns temos os Ultra Rpidos (ultra fast)

ou Schottky


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DIODO IDEAL

O diodo semicondutor utilizado em uma gama muito grande de aplicaes em sistemas de eletrnica

atualmente. O caso mais clssico em circuitos retificadores (conversores de tenso CA em tenso CC).

O diodo ideal um 10 componente ilustrativo que serve para entender com facilidade o funcionamento de

um diodo real. No grfico abaixo, no lado esquerdo da curva ocorre a polarizao reversa da juno.

Supe-se que quando operando na lado direito da curva o diodo conduza intensamente, quando operando

do lado esquerdo ele no conduza, idealmente no possuindo corrente reversa.



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DIODO REAL

O diodo real bem diferente do diodo ideal pois apresenta uma queda de tenso quando polarizado

diretamente, alm de uma corrente de fuga no quando polarizado no sentido reverso.

A corrente de fuga possui tipicamente baixo valor e depende muito da temperatura, necessitando por

isto que se tome cuidados especiais quando for utilizar retificadores (diodos). Existe ainda uma tenso

reversa mxima que se pode aplicar sem destruir o diodo pelo efeito de avalanche, representado pelo

aumento repentino da corrente de fuga.


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RETIFICADORES MONOFSICOS

A maioria dos circuitos eletrnicos necessita de uma tenso de alimentao em corrente contnua para

trabalhar adequadamente. Como a tenso residencial e industrial so do tipo alternada, deve-se

converter tenso alternada (CA) em tenso contnua (CC), que a funo bsica dos circuitos

retificadores

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Onda Senoidal

A tenso de alimentao residencial e industrial uma onda senoidal de baixa frequncia, o que

permite uma grande eficincia e praticidade na gerao, transmisso e distribuio de energia eltrica.

Uma onda senoidal um sinal peridico, pois possui um ciclo, ou perodo, de variao que se repete

indefinidamente.

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RETIFICADOR MONOFSICO DE MEIA ONDA o retificador mais simples que existe, e sua aplicao est restrita a baixa potncia servindo apenas para uso em pequenas fontes de

alimentao, tenso de referncia, etc. Seu uso muito restrito devido ao retificador possuir uma

tenso mdia baixa e um alto nvel de ondulao na tenso na carga (ripple). Este circuito composto

s por um diodo que conduz somente em um semiciclo positivo da tenso de entrada.

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TENSO MDIA NA CARGA (VMRL) a tenso que

aparece aplicada sobre a carga. Sendo contnua

(unidirecional), deve ser medida com voltmetro na

escala CC. Seu valor pode ser calculado por qualquer

uma das seguintes equaes: VEFin: tenso eficaz na entrada do retificador VMAXin: tenso mxima na entrada do retificador

TENSO REVERSA NO DIODO (PIV)

a tenso que aparece sobre o diodo quando ele est

reversamente polarizado

CORRENTE MDIA NO DIODO (IMRL)

No retificador de meia-onda, a corrente mdia no diodo

igual da carga,

pois ambos formam um circuito srie. RL: Resistncia de

Carga

FREQUNCIA DE ONDULAO DA TENSO NA

CARGA

No retificador de meia-onda, a forma de onda da tenso na carga contnua

e pulsante, possuindo a mesma freqncia da rede.

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RETIFICADOR MONOFSICO DE ONDA COMPLETA

o retificador mais usado para baixas tenses e baixas potncias. Utiliza somente dois diodos, porm

necessita de um transformador especial que causa uma defasagem de cento e oitenta graus nas

tenses de sada. Este retificador apresenta um inconveniente que a elevada tenso reversa sobre os

diodos, mas seu uso disseminado em eletrnica geral de baixas tenses.

No semiciclo positivo o diodo D1 est polarizado

diretamente e entra em conduo permitindo a

circulao da corrente pela carga. Neste mesmo

semiciclo o diodo D2 est polarizado reversamente,

devido tenso V2b estar negativa com referncia

tomada central do transformador. Quando o diodo

estiver polarizado reversamente deve-se notar que a

tenso a que ele fica submetido diferena entre V2a

e V2b. No semiciclo negativo (quando a tenso V2a

fica negativa) o diodo D1 fica reversamente

polarizado, portanto, agora ele que esta submetido a

tenso das duas fases. O diodo D2 estar diretamente

polarizado, permitindo assim a circulao

de corrente pela carga. Pode-se notar que a corrente

da carga hora fornecida por um diodo, hora

fornecida por outro diodo.

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RETIFICADOR MONOFSICO DE ONDA COMPLETA EM PONTE

A utilizao de quatro diodos ligados em ponte permitem que a tenso AC no secundrio de um

transformador seja transformada em corrente contnua pulsada. No primeiro semiciclo A(+) e B(-),

apenas os diodos D1 e D4 so polarizados diretamente, com D2 e D3 cortados, alimentando a carga

positivamente no ponto C. No segundo semiciclo A(-) e B(+) apenas os diodos D2 e D3 so polarizados

diretamente com D1 e D4, cortados alimentando novamente o ponto C positivamente. Ento como

resultado sempre uma tenso positiva alimentar a carga no ponto C em ambos semiciclos, veja abaixo

o circuito retificador e suas formas de onda.

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Eletronica e Instrumentação - Semicondutores