Classificação dos materiais
De maneira bem simples, a classificação dos materiais em relação a seu comportamento
elétrico é feita dividindo-os em isolantes e condutores.
Os condutores são materiais que permitem a passagem da corrente elétrica em
seu interior quando submetidos a uma diferença de potencial, pois possuem
cargas elétricas livres. Exemplos: alumínio, cobre, ferro etc.
Os isolantes são materiais que, em condições normais, não permitem a passagem
da corrente elétrica em seu interior, pois não possuem cargas elétricas livres.
Exemplos: madeira, plásticos, porcelana, fenólite etc.
Existe outro tipo de material que apresenta características elétricas intermediárias
entre os isolantes e os condutores: os semicondutores (que também poderiam
ser chamados de semi-isolantes). Esses materiais têm sido muito utilizados na indústria
eletrônica desde a década de 1950, tanto na construção de componentes
como na de circuitos integrados. Os principais semicondutores são o silício e o
germânio, apesar de existir grande variedade de outros materiais.
A classificação dos materiais quanto à capacidade de conduzir ou não a corrente
elétrica pode ser feita de acordo com sua condutividade ou resistividade.
Semicondutor intrínseco
O semicondutor em seu estado puro é chamado de intrínseco, tendo pouca ou
nenhuma utilidade quando está nessas condições. Como dissemos, os principais
semicondutores usados são o silício (Si) e o germânio (Ge); existem outros,
O estudo de semicondutores pode ser feito de duas maneiras: por meio do conceito de bandas de energia (análise que utiliza conceitos da Física) ou por meio do conceito de ligação covalente (que é
uma abordagem da Química).Semicondutor extrínseco
Na prática, não usamos o semicondutor intrínseco, e sim o extrínseco. O
semicondutor extrínseco é obtido pela adição de elementos chamados de
impurezas (tipos de átomos), cuja principal finalidade é alterar algumas propriedades
elétricas, principalmente a resistividade em relação ao fluxo de
elétrons. Existem dois tipos de semicondutores extrínsecos: o material N e
o material P.
Semicondutor tipo N
É obtido adicionando ao cristal puro (de silício ou germânio) um material pentavalente,
isto é, que tem em sua última camada cinco elétrons de valência. Em
geral, o material mais utilizado é o fósforo (P).
O que acontece, então, quando átomos de fósforo são adicionados ao cristal do
semicondutor? Tomemos como exemplo um semicondutor de silício. Alguns de
seus átomos serão substituídos pelo átomo do fósforo, e, como o número de átomos
da impureza é muito menor que o de átomos do semicondutor, essa impureza
se ligará a quatro átomos de silício.
Esse processo pode ser mais bem compreendido se imaginarmos a temperatura
variando do zero absoluto. A partir desse valor, o quinto elétron está preso;
portanto, não existe portador de carga livre e o material se comporta como isolante.
Aumentando gradativamente a temperatura, o quinto elétron é liberado
e o material passa a conduzir corrente elétrica. Quanto mais a temperatura aumenta,
mais ligações covalentes começam a se quebrar, gerando mais elétrons
livres e lacunas. Assim, o material torna-se neutro, motivo pelo qual recebe o
nome de semicondutor tipo N.
Semicondutor tipo P
É obtido adicionando quantidades controladas de impureza trivalente ao material
puro (semicondutor intrínseco). Um exemplo desse tipo de impureza é o
boro (B). Como o boro é trivalente, seus três elétrons de valência serão compartilhados
com quatro átomos de silício das vizinhanças, porém uma das ligações
não se completará.
A ausência de um elétron nessa ligação poderá se comportar como lacuna.
Inicialmente, em temperaturas próximas do zero absoluto, os elétrons de valência
de um átomo vizinho ao da impureza não têm energia suficiente para preencher
a ligação, e, portanto, o material se comporta como isolante. Conforme a
temperatura aumenta, um elétron de valência do átomo vizinho recebe energia
suficiente para se deslocar e ocupa a vaga na ligação não completada com um dos
elétrons do boro. Desse modo, como o átomo estava neutro e passa a ter um
elétron a mais, torna-se um íon negativo. A vaga deixada por esse elétron pode
se comportar como lacuna. Então, foi gerada lacuna sem o aparecimento de
elétron livre, e por isso o material é chamado de P.
Junção PN
Se uma barra de material P é ligada metalúrgicamente a uma barra de material
N, cria-se uma junção PN, cujas características permitem a produção de todos
os dispositivos eletrônicos.
A diferença de concentração de lacunas e elétrons livres entre as duas regiões da
junção PN possibilita a ocorrência de um fenômeno chamado de difusão: deslocamento
(corrente elétrica) de lacunas do lado P para o N e de elétrons livres
do lado N para o P.
A difusão não é um processo contínuo, pois o deslocamento de elétrons e lacunas
faz surgir uma região de cargas negativas (átomos de impurezas receptoras que
aceitaram esses elétrons) e positivas fixas . Nessa região, denominada
região de cargas espaciais (RCE) ou região de depleção, não existem cargas
livres, uma vez que, em razão do campo elétrico gerado pelas cargas espaciais,
caso apareça uma carga livre (elétron livre ou lacuna), ela será acelerada por esse
campo, deslocando-se para o lado N ou P. As cargas fixas criam uma barreira
de potencial que se opõe à difusão de mais portadores majoritários – lacunas no
lado P e elétrons livres no lado N. Essa corrente é representada por IDifusão.
Os portadores minoritários de ambos os lados da junção estão movimentando-se
aleatoriamente por causa da temperatura. Se algum dos portadores minoritários
(aqueles gerados pela temperatura) – elétrons livres no lado P ou lacunas no lado
N – se aproximar da RCE, será acelerado pelo campo elétrico existente nessa região
e passará para o outro lado da junção. Essa corrente é chamada de corrente
de deriva (IDeriva).
Quando a junção está em equilíbrio, a soma das correntes da junção é zero, isto é, IDeriva = IDifusão.
As duas correntes podem ser observadas na figura a baixo.
Idifusão.
Ideriva
Junção PN com polarização reversa
Quando a tensão aplicada tem polaridade como a indicada na figura a sima
isto é, o lado P negativo em relação ao lado N, a largura da região de depleção
aumentará, elevando a altura da barreira de potencial e dificultando a
passagem dos portadores majoritários de um lado da junção para o outro.
Através da junção existirá uma corrente constituída de portadores minoritários,
os quais dependem apenas da temperatura. Essa corrente é chamada
de corrente reversa de saturação (IS) e sua intensidade é da ordem de nA (Si)
ou μA (Ge).
Junção PN com polarização direta
O que acontece se invertermos a polaridade da tensão na figura a sima, Imagine
a tensão da bateria começando de zero. Inicialmente, como a corrente é desprezível,
toda a tensão externa é aplicada na junção, diminuindo a barreira. No
entanto, a corrente começa a aumentar quando a tensão aplicada na junção for
de aproximadamente 0,6 V.
A princípio, toda a tensão estará aplicada diretamente na região da junção,
baixando a barreira de potencial e tornando desprezível a queda de tensão no
material N e no P. Desse modo, a corrente é controlada pela variação da altura
da barreira (região não linear da curva característica). À medida que a corrente
aumenta, a tensão externa se distribui entre o material e a barreira. Nesse
instante a corrente começa a ser controlada pela resistência direta do material,
passando a ter comportamento aproximadamente linear com a tensão.
Diodo de junção
Diodo de junção é um componente constituído de uma junção PN, tendo todas
as suas características, ou seja, permite a passagem da corrente em um único
sentido quando adequadamente polarizado (polarização direta) e bloqueia a corrente
quando a polaridade da tensão inverte (polarização reversa).
Curva característica do diodo
Quando em polarização direta, a expressão matemática que representa o comportamento
do diodo é a mesma equação dada para a corrente através da junção,
ou seja:
• IS é a corrente reversa de saturação,
• VD a tensão aplicada no diodo,
• η uma constante que depende da forma como o diodo foi construído e
• VT uma constante que depende da temperatura, valendo aproximadamente
26 mV a 20 °C.
Portanto, para VD > 0 e VD >> 26 mV, o termo negativo dentro dos parênteses
é desprezado:
Para VD < 0 e em módulo muito maior que 26 mV, a expressão da corrente será
aproximadamente igual –IS.
Existe um valor de tensão que provoca a ruptura da junção, destruindo o diodo
por efeito Joule (aumento excessivo de calor). Essa tensão de ruptura (breakdown)
é representada por VD < VBK, que na literatura costuma aparecer como
VBR e no manual dos fabricantes como VRRM (máxima tensão reversa de pico
repetitiva). Em alguns casos, o diodo é construído especialmente para operar
nessa região, como o diodo Zener.
Diodo polarizado diretamente
O comportamento é similar ao da junção PN. Em condução, um diodo de silício
apresenta queda de tensão de aproximadamente 0,7 V. Assim, por exemplo,
podemos estimar a corrente de um circuito de 10 V e 1 k simplesmente escrevendo
a equação da malha: 10 = 1 k × I + 0,7. Daí tiramos que:
O circuito do exemplo está ilustrado na figura
É importante observar que, para efeito de cálculo, consideramos que a queda de
tensão, no caso de diodo polarizado diretamente, é 0,7 V. Alguns autores adotam
0,6 V, mas na prática não faz muita diferença.
Diodo polarizado reversamente.
Quando o diodo está polarizado reversamente, a corrente que se estabelece através
dele é da ordem de nA, ou seja, praticamente nula . Essa corrente
reversa, também chamada de corrente de fuga, depende de aspectos físicos do
material, como dopagem e dimensões, e de fatores externos, entre eles a temperatura
de trabalho (o valor dobra a cada aumento de 10 ºC). Importante: quando
o diodo está polarizado reversamente, a tensão da fonte está aplicada nos
terminais do diodo, o qual deve ter capacidade para suportar a tensão reversa;
caso contrário, pode ocorrer um fenômeno denominado avalanche, que, em geral,
causa a ruptura da junção.
A corrente de fuga é a soma da corrente reversa de saturação com a corrente
superficial. A corrente de saturação depende da dopagem do semicondutor e da
temperatura de trabalho; a corrente superficial, das dimensões físicas do diodo,
variando de acordo com a tensão aplicada. Por essa razão, observando a curva do
diodo em polarização reversa, é possível notar uma ligeira inclinação, que indica
um pequeno aumento na corrente quando a tensão aumenta.
Circuitos equivalentes para diodo
Estabelecer um modelo para um componente eletrônico (resistor, fonte de tensão,
fonte de corrente, capacitor e indutor) significa representá-lo em um circuito por
meio de componentes básicos, o que permite usar as leis de circuito para analisá-lo.
Além do modelo adotado pelo fabricante do simulador, existem modelos simples
que o projetista de circuitos pode utilizar, dependendo da complexidade e da
precisão que ele deseja obter.
Por exemplo, no caso do diodo, quando polarizado reversamente, é representado
por um circuito aberto (chave aberta); quando ligado em polarização direta,
utiliza-se um dos modelos ou circuitos equivalentes descritos a seguir.
Modelo 1 – Diodo ideal
É o circuito equivalente (modelo) mais simples. Consiste em representar o diodo
por uma chave fechada (curto-circuito), quando polarizado diretamente, e por
um circuito aberto, quando polarizado reversamente.
O gráfico a baixo representa a curva característica para esse modelo e o
circuito equivalente.
A figura a baixo representa um circuito com um diodo real (1N4001) ligado a uma
bateria de 100 V e a figura 2.18b mostra o mesmo circuito, porém com o diodo
substituído por uma chave fechada. No primeiro caso, a corrente vale 99,2 mA
e, no segundo, 100 mA, mas na prática essa diferença de valores é desprezada, o
que significa que o modelo pode ser usado.
Existe alguma limitação no uso desse modelo? Essa forma de representar um
diodo pode sempre ser usada? Na figura a baixo, em vez de 100 V, a bateria utilizada
é de 1,5 V. Nesse caso, a diferença entre as duas medidas é alta (66%), o que
significa que o modelo não é adequado.
Então, conclui-se que, se o valor da tensão da bateria for da mesma ordem de
grandeza da barreira de potencial (0,6 V), o modelo de chave não pode ser usado.
Modelo 2 – Bateria
Um modelo mais elaborado considera o diodo conduzindo corrente elétrica
como se fosse uma pequena bateria de 0,6 V (valor a partir do qual o diodo inicia
a condução). Portanto, se a tensão aplicada no diodo for menor que 0,6 V, ele
se comportará como uma chave aberta; se a tensão estiver acima de 0,6 V, o
diodo será substituído por uma bateria de 0,6 V. A figura a baixo mostra a curva
característica representativa desse modelo e o circuito equivalente.
Na figura a baixo, pode-se verificar que os valores obtidos no diodo real e no modelo
são muito próximos.
O modelo com bateria deve ser usado quando a tensão de polarização for maior
que 0,6 V e da mesma ordem de grandeza.
Modelo 3 – Bateria e resistência (modelo linearizado por trechos de reta)
Pode-se obter maior precisão levando em conta a resistência do diodo quando está
em condução. A figura a baixo ilustra a curva característica linearizada por dois
trechos de reta, que representa a bateria em série com resistência de baixo valor.
A figura a baixo(a), mostra o valor da corrente em um diodo real e no circuito com o
modelo, com resistência direta de 5 Ω e resistência de carga de 1 kΩ.
A figura a baixo reproduz a mesma análise, porém com uma resistência de carga
menor, 100 Ω.
Podemos observar que, nos dois casos (1 kΩ e 100 Ω), os valores das correntes
são muito próximos; no primeiro (1 kΩ), a diferença se deve ao fato de que o
trecho linearizado não coincide com a curva. Assim, quanto maior o valor da
corrente, mais a curva coincide com a reta.
Aplicações de diodos semicondutores
A alimentação de todos os circuitos eletrônicos é feita por meio de
tensão contínua, porém a tensão na rede é alternada. Os circuitos
que convertem tensão CA em CC são chamados de conversores
ou retificadores. Sua função é converter a tensão senoidal em pulsante, que,
em seguida, é filtrada e eventualmente aplicada em um regulador de tensão. O
dispositivo utilizado para obter a retificação é o diodo de junção.
Retificador de meia onda
O circuito retificador de meia onda é composto por um único diodo acoplado
na saída de um transformador. Graças a essa configuração, após a passagem
pelo diodo, observam-se somente semiciclos positivos, pois durante o semiciclo
negativo a tensão na carga é nula.
Quando a tensão de entrada (Ve) for positiva, o diodo conduzirá e a tensão na
carga será igual à tensão de entrada descontando 0,7 V. Se a tensão de pico de
entrada (VP) for muito maior que 0,7 V, a tensão na carga será praticamente igual
a Ve. No semiciclo negativo (Ve< 0), o diodo estará cortado e toda a tensão estará
aplicada entre seus terminais; por isso, o diodo deve ter uma tensão de ruptura
maior que VP.
A função de um retificador é manter uma tensão contínua na saída. A tensão na
carga tem um componente contínuo, aqui denominado VCC (VDC, em inglês),
que se calcula por:
Portanto, a corrente na carga vale:
Obs.: a tensão média (VCC) é medida por um voltímetro CC.
Para essa mesma forma de onda, o valor da tensão eficaz (medida por um voltímetro
True RMS) é dado por:
Obs.: a tensão eficaz é medida por um voltímetro True RMS AC + DC.
As expressões anteriores são verdadeiras quando o valor de pico é muito maior
que 0,7 V; caso contrário, deve-se subtrair 0,7 V de VP (figura A ). Nesse caso,
os valores da tensão média e da tensão eficaz são calculados, respectivamente, por:
(figura A)
É importante lembrar que o diodo deve ser dimensionado de acordo com seus
valores de corrente e tensão.
Dimensionamento do diodo
Os principais limites elétricos encontrados em um datasheet de diodo são:
• VRRM = máxima tensão de pico reversa
• VRMS = máxima tensão eficaz
• VCC = máxima tensão CC reversa
• IAV = máxima corrente contínua
• IFSM = máxima corrente de surge
Para esse retificador de meia onda, os valores das tensões e corrente do diodo
devem ter no mínimo os seguintes limites:
Consideremos o circuito, VP = 17 V e o diodo 1N4001 comRL = 100 Ω.Os valores são:
( Podemos observar que esses valores estão bem abaixo dos limites.)
Retificador de meia onda com filtro capacitivo
Esse tipo de retificador apresenta, além do diodo retificador, um capacitor associado
em paralelo com a carga. A função do capacitor é diminuir o ripple. Quanto
menor for o ripple da tensão de saída de um retificador, melhor será sua qualidade.
A figura (b) ajuda a entender o que é ripple. Nela, uma tensão senoidal de
1 V de pico está sobreposta a uma tensão CC (também chamada de nível de
offset) de 4 V. Se usarmos um voltímetro CC para medir essa tensão, ele indicará
exatamente 4 V.
( figura b )
Para uma tensão retificada de meia onda, se o valor de pico for muito maior que o ripple, este pode ser estimado aproximadamente por:
• VP é o valor da tensão de pico alternada (em volts),
• C o valor da capacitância do capacitor (em farads),
• f a frequência (em Hz) do riplle (meia onda de 60 Hz e onda completa de
120 Hz) e
• R o valor da carga (em ohms).
Retificador de onda completa
Um retificador de onda completa é formado por dois diodos, aproveitando, portanto,
os dois semiciclos da tensão senoidal da rede. Em consequência, o valor
da tensão contínua na carga aumenta e o ripple diminui, em comparação com o
circuito de meia onda.
Nos retificadores de onda completa, a conexão dos diodos pode ser feita de duas
maneiras, resultando em dois tipos de retificadores com características distintas:
com center tap e em ponte.
Retificador de onda completa com center tap
Esse tipo de retificador utiliza um transformador com tomada central (center
tap). Os diodos são ligados em cada uma das saídas opostas ao center tap e, como
resultado, obtêm-se duas tensões defasadas de 180° entre si.
Ao aplicar tensão no primário do transformador, observa-se que, durante o semiciclo
positivo da tensão de entrada, o diodo D1 conduz e o D2 corta. No semiciclo
negativo da tensão de entrada, invertem-se as condições: D2 conduz e D1 corta.
As figuras 3.5b, 3.5c, 3.5d e 3.5e mostram as formas de onda no secundário do
transformador e na carga. Observe que as duas tensões dos terminais em relação
ao terra (terminal central do secundário) estão defasadas de 180° entre si. Consideraremos
como tensão de entrada cada uma das tensões no secundário, entre
uma extremidade e o terra (center tap), com valor de pico igual a VP e defasadas
de 180°, isto é:
Calcula-se a tensão contínua na carga por:
Note que ela é o dobro da tensão CC no caso de meia onda.
A corrente média na carga é obtida por:
Para essa mesma forma de onda, o valor eficaz (tensão medida por um voltímetro
RMS) é calculado por:
Retificador de onda completa em ponte
O retificador de onda completa na figura abaixo não necessita de transformador
com tomada central (somente quando há intenção de transformar a
tensão) e utiliza quatro diodos. A tensão de entrada (Ve) pode ser tanto a tensão
da rede como a do secundário de um transformador.
.
Observando a tensão senoidal aplicada na entrada, pode-se perceber que, duranteo semiciclo positivo da tensão de entrada, os diodos D1 e D4 estão polarizados
diretamente e os diodos D2 e D3 cortados. Como existem dois diodos
conduzindo ao mesmo tempo e eles estão em série, a queda de tensão será de
1,4 V. Isso significa que, para haver tensão na carga, a tensão de entrada deve
ser maior que 1,4 V.
os diodos D2 e D3 conduzem e os diodos D1 e D4 estão cortados; o sentido da
corrente na carga continua o mesmo.
A máxima tensão de pico inversa que cada diodo deve suportar é aproximadamente
–VP, em que VP é o valor de pico da tensão senoidal de entrada.
A figura 3.11 ilustra as formas de onda de entrada e na carga. Observe a perda de
tensão (1,4 V) ao longo do caminho da corrente. Esse valor deve ser descontado
no cálculo da tensão média e da tensão eficaz na carga.
Calcula-se a tensão contínua na carga por:
RMS) é obtido por:
Retificador de onda completa com filtro
capacitivo
Como apresentado no retificador de meia onda, a adição de um capacitor diminui
o ripple e aumenta o valor da tensão contínua. A figura a baixo mostra os gráficos das tensões no secundário e na carga para um valor de pico de tensão de entrada igual a 100 V, em circuito meia onda com capacitor.
Observando a figura a sima , é possível notar o aumento em relação aos valores
médio e eficaz, assim como a diminuição do ripple, em comparação com o retificador
de meia onda, que utiliza valores semelhantes de capacitor e carga.
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