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Aula02 Indice de Aulas Aula04

Eletrônica Básica
Aula 03: O Diodo de Junção

Referencias

MALVINO, Albert. Eletronica V1

ALBUQUERQUE, R.O. ; PINTO, L. F. Eletronica Analogica. V2. São Paulo: Fundação Pe. Anchieta
SEDRA, A. Microeletronica

Prof Me. Romulo Oliveira Albuquerque

1. Diodo de Junção

     Um diodo é um dispositivo construído a partir de uma junção PN, portanto deixará que   a corrente passe somente num único sentido quando adequadamente polarizado (polarização direta), bloqueando a corrente quando a polaridade da tensão inverter (polarização reversa). Observe que o simbolo mostra essa condição.
Obs: Não iremos detalhar a parte física do diodo, ficando a seu critério buscar essas informações   na bibliografia que é adotada.
A Figura 1 mostra   o diodo com a indicação dos dois terminais , anodo (A) e catodo (K), o simbolo, bem como o aspecto fisico de um diodo comercial

Figura 1 - ( a ) Aspectos construtivos ( b ) Símbolo ) ( c ) aspecto fisico

1.1. Diodo polarizado diretamente

Para o diodo conduzir, mesmo em polarização direta, é necessário que a tensão externa aplicada seja de pelo menos 0,7 V (para vencer a barreira de potencial). Em condução um diodo apresenta uma queda de tensão de aproximadamente 0,7 V (diodo de Si). No circuito da Figura 2 a a corrente no circuito é de aproximadamente 11,3mA, pois como o mesmo está polarizado diretamente a queda de tensão no diodo é 0,7 V e na resistencia 11,3 V, logo a corrente é 11,3V/1k = 11,3 mA.

Figura 2 - Circuito com o diodo polarizado diretamente

Fonte: MicroCap v.9

1.2. Diodo polarizado reversamente

Com polarização reversa a corrente no diodo será muito baixa (da ordem de nA para diodos de Si), de forma que do ponto de vista prático será zero. Esta corrente reversa também chamada de corrente de fuga só depende de aspectos construtivos (dopagem) e da temperatura (dobra de valor para cada 10 graus de aumento na temperatura). Observe que quando polarizado reversamente toda a tensão da fonte cairá entre os terminais do diodo, que deverá ter capacidade para suportar essa tensão reversa, caso contrário pode ocorrer um fenômeno chamado de avalanche o que pode levar à destruição do diodo.

Figura 3 - Circuito com o diodo polarizado reversamente

Fonte: MicroCap v.9

1.3. Modelos (circuitos equivalentes) para o diodo

Modelar um dispositivo eletrônico, é usar componentes básicos tais como resistências, fontes de tensão, fontes de corrente e capacitâncias para representa-lo, permitindo desta forma que usar as leis de circuito para estuda-lo. O construtor de um simulador modela um componente eletrônico a partir das informações fornecidas pelo fabricante do componente, desta forma ao simular um circuito os resultados serão semelhantes aos obtidos em um circuito real.

Se voce estudou o curso de Eletricidade Basica compreenderá melhor esse conceito. A Figura 4a mostra uma bateria ligada a uma lampada. Não é possivel calcular a corrente no circuito assim representado, é necessario substituir pelo circuito equivalente ou modelo, Figura 3b. Agora sim é possivel usar leis de circuito para o calculo da corrente.

( a ) ( b )
Figura 4 - ( a ) Circuito a ser modelado ( b ) circuito equivalente da bateria e lampada

1.3.1. Modelo 1 - diodo ideal

O modelo mais simples do diodo considera-o como sendo uma chave que é controlada pela tensão aplicada no diodo. Se a tensão é positiva a chave fecha, se é negativa a chave abre. O diodo se comporta de forma ideal. A Figura 5 mostra a curva caracteristica do diodo assim modelado.

( a ) ( b )

Figura 5 - ( a ) Curva característica do diodo ideal ( b ) circuitos equivalentes na condução (V>0) e corte (V<0)

A Figura 6 mostra dois circuitos, com diodo e com a chave fechada representando o diodo. Como pode ser notado existe uma diferença entre as duas medidas, mas o erro pode ser desprezado.

Figura 6 - ( a ) Circuito com diodo ( b ) circuito com o modelo simplificado (chave fechada)

Fonte: MicroCap v.9

A pergunta que fica é: Podemos usar esse modelo sempre? Vamos responde-la considerando outro exemplo. Consideremos que a bateria do circuito da Figura 6 muda de valor, passando a valer 1,5 V. Resulta o circuito da Figura 7.

( a ) ( b )

Figura 7 - ( a ) Circuito com diodo ( b ) '
Fonte: MicroCap v.9

Observe que neste caso o erro entre as duas corrente é de aproximadamente 100% . Neste caso não podemos mais usar o modelo da chave fechada para representar o diodo. O modelo deve ser melhorado.

1.3.2. Modelo 2 - Bateria

O modelo anterior pode ser melhorado considerando-se que ao conduzir o diodo pode ser substituido por uma bateria de 0,6 V/0,7 V . Se a tensão aplicada no diodo for maior que 0,6 V/0,7 V o diodo será substituido por uma bateria de 0,6 V/0,7 V . Para uma tensão menor que 0,6 V/0,7 V o diodo será um circuito aberto. Alguns autores usam 0,6 V e outros 0,7 V, não faz diferença significativa na maioria dos casos.

                              ( a )                                                      ( b )

Figura 8 - ( a ) Circuito com diodo ( b ) circuito com o modelo com bateria

Fonte: MicroCap v.9

A Figura 9 mostra as medidas em um circuito com diodo e no circuito equivalente com a bateria de 0,6 V/0,7 V substituindo o diodo.

( a ) ( b ) Circuito no Multisim Live - Clique para acessar

Figura 9 - ( a ) Circuito com diodo ( b ) circuito com o modelo com bateria

Fonte: Multisim v. 14

Como pode ser observardo os valores são muito próximos. O modelo anterior pode ser melhorado mais ainda se substituirmos o diodo por uma bateria em serie com uma resistência (resistência CC do corpo do diodo) para V>0,6 V.

1.3.3. Modelo 3 - Bateria e Resistência (modelo linearizado por trechos de retas)

A Figura 10 mostra a curva característica linearizada por dois trechos de reta.

( a ) ( b )

Figura 10 - ( a ) Circuito com diodo ( b ) circuito com o modelo com bateria e resistencia do diodo (RD)

Fonte: MicroCap v.9

A Figura 11 mostra as medidas em um circuito com diodo e no circuito equivalente com a bateria de 0,6 V em serie com uma resistência de 50 Ohms substituindo o diodo

( a ) ( b )

Figura 11 - ( a ) Circuito com diodo ( b ) circuito com o modelo linearizado por trechos de reta
Fonte: Multisim v. 14

Observar que os resultados são muito próximos, desta forma o modelo a a ser adotado depende dos valores da bateria e da resistência do circuito. Se a tensão da fonte for muito maior do que 0,6 V podemos usar o modelo simplificado, caso contrario deve ser usado o penúltimo ou o ultimo modelo. A grande dificuldade de usar esse modelo é conhecer o valor da resistencia direta do diodo, por isso mesmo os dois primeiros modelos são mais usados.

1.4. Determinação do Ponto Quiescente (Ponto Q) usando o modelo

O ponto quiescente é o ponto de operação do diodo (corrente e tensão) pode ser determinado através do modelo.

Por exemplo, na Figura 12, se usarmos o modelo 2 (bateria) a corrente pode ser estimada por:

( a ) ( b ) ( c )

Figura 12 - Determinando o ponto quiescente analiticamente usando o modelo de bateria ( a ) Simulação ( b ) circuito com modelo de bateria 0,7 V c ) circuito com modelo de bateria 0,6 V
Fonte: MicroCap v.12

Na Figura 12 os valores da corrente são praticamente os mesmos, por simulação, usando o modelo de bateria ou calculado.

1.5. Determinação do Ponto Quiescente Através da Analise Gráfica

O ponto quiescente pode ser determinado graficamente se a curva característica for conhecida. Na Figura 12 a equação do circuito é:

V_CC=R.I_D + V_D

_{Se a mesma for representada grafica, é uma reta no plano IDxVD (curva caracteristica do diodo). Essa reta intercepta o eixo vertical (ID) no ponto Vcc/R e o eixo horizontal em Vcc. A intersecção da reta com a curva determina o ponto de operação (ponto Q) que é o valor da corrente no diodo, portanto no circuito, e a tensão nos terminais do diodo, Figura 13.}

( a )

( b )

Figura 13 - ( a ) Determinando graficamente o ponto quiescente ( b ) detalhe (escala ampliada)
Fonte: MicroCap v.9

O problema da analise grafica é a precisão e ter a curva caracteristica do diodo.

2 Experiência: Diodo - Polarização e curva caracteristica

2.1 Abra o arquivo ExpEN_01 Polarização do diodo e curva caracteristica (Multisim 14)identifique os circuitos da Figura 14. Inicie a simulação anotando as correntes e a tensão no diodo para as duas situações indicadas.

Circuito no Multisim Live - Clique para acessar - Polarização direta e reversa

Polarização direta

I(calc)=_________ I(med)=________

Polarização Reversa

IS(modelo)=_________ IS(Med)=________

Obs: IS(modelo) é a corrente de fuga quer você obtêm quando dá duplo clique no simbolo do diodo e entra no modelo.

Figura 14 - Polarização do diodo experiencia 1 ( a ) direta ( b ) reversa

2.2 . Abra o arquivo ExpEN_01 Polarização do diodo e curva caracteristica (Multisim 14) identifique o circuito da figura 14. Para cada valor de U da tabela 1 meça a corrente. Com os dados da tabela 1 desenhe o grafico de IxU (curva caracteristica) para isso use papel milimetrado ou use o Excel.

Tabela 1 - levantando dados para desenhar a curva cacteristica do diodo IdxVd

VD(mV)	300	400	500	550	590	600	640	680	700
ID(mA)

Clique para o circuito para obter curva caracteristica

Figura 15 - circuito para obter a curva caracteristica

3 Experiencia: Modelos do diodo

3.1. Abra o arquivo ExpEN1_02 Modelos do diodo (Multisim 14)e identifique o circuito da Figura 16. Inicie a simulação. Meça a corrente no diodo e a corrente no circuito com chave e no circuito com bateria, primeiramente considerando a bateria de 20 V que polariza o diodo. Calcule o erro porcentual entre a medida no diodo e nos circuitos com modelo.

( a ) ( b ) ( c )

Figura 16 - Modelos do diodo ( a ) circuito com diodo ( b ) modelo com chave fechada ( c ) modelo com bateria
Fonte: Multisim v.14

I(diodo)=___________ I(modelo chave fechada)=______________ I(modelo bateria)=______________

erro%=_______ (modelo chave fechada - ideal) erro%=_______ (modelo bateria)

3.2. Abra o arquivo ExpEN1_02 Modelos do diodo (Multisim 14) e identifique o circuito da Figura 17. Inicie a simulação. Meça a corrente no diodo e a corrente no circuito com chave (moedelo ideal) no circuito com bateria (modelo com bateria) e no circuito com bateria e resistencia (modelo com bateria e resistencia ). Considere agora a bateria de 2 V que polariza o diodo. Calcule o erro porcentual entre a medida no diodo real e nos circuitos com modelo (ideal, bateria, bateria+resistencia).

Figura 17 - Modelos do diodo ( a ) circuito com diodo ( b ) modelo com chave fechada ( c ) modelo com bateria ( d ) modelo com bateria de 0,6 V e resistencia de 5 ohms

I(diodo)=_______ I(modelo chave fechada)=_________ I(modelo bateria)=_______I(modelo bateria +resistencia)=______

erro%=_______ (modelo chave fechada - ideal) erro%=_______ (modelo bateria) erro%=_______ (modelo bateria+resistencia)

5.2. Escreva as suas conclusões:

6 Exercicio proposto

6.1 O diodo no circuito está aberto. Qual a indicação de cada instrumento?

V1=_________ V2=_________ A=_____________

6.2 Qual a tensão nos terminais do diodo?

6.3 Qual a indicação dos instrumentos V1 e V2 (ideais e digitais) com a chave em A e em B.

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