Electrónica analógica
semicondutores
O Professor Luís Batista foi o professor com quem tive o privilégio de aprender o que são semicondutores, de que tipos de materiais são constituídos, como é feita a dopagem dos materiais semicondutores, o comportamento eléctrico das estruturas tipo N e tipo P, tipos de díodos e suas principais aplicações, elaboração de esquemas de rectificação, alem das aulas teóricas com muitos exercícios, com muitos meios audiovisuais e com o empenho do Professor Luís Batista.
Ainda consegui fazer muitos exercícios práticos no laboratório, foi feita por exemplo a aplicação do díodo de Zener e também consegui montar, ensaiar e diagnosticar avarias em circuitos com dispositivos semicondutores em diversos circuitos, o que foi conseguido com sucesso por mim e por todos os meus colegas com o apoio dinâmico e interessado do Professor Luís Batista.
Com muito material de apoio que me foi distribuído durante este módulo, vou tentar fazer uma síntese do que de mais importante aprendi neste módulo.
Revisão de conceitos físicos, químicos e eléctricos
Neste módulo começamos por relembrar como é constituída a matéria: é constituída essencialmente por átomos e moléculas. Define-se átomo como sendo a mais pequena porção de um determinado elemento que mantêm na íntegra todas as suas propriedades.
Molécula é definida como sendo um conjunto de dois ou mais átonos de um ou mais elementos.
Um átomo é composto pelo núcleo (ao centro, composto por protões que são cargas positivas e neutrões - ausência de carga) e pelos electrões que giram em torno deste nas orbitas do átomo. A orbital mais exterior chama-se de “orbital de valência” e os electrões que nela circulam denominam-se “electrões de valência”, estes electrões têm uma função muito importante nos Semicondutores, que irei abordar, mais pormenorizadamente.
È sempre bom recordar que um átono é electricamente neutro, só assim é estável, se o seu número de electrões for igual ao número de protões existentes no núcleo.
Bandas de energia
Todas as substâncias, tem um determinado nível de energia característico dos electrões que estão na camada de valência, A esse nível de energia chama-se banda de valência, banda porque na verdade não se trata dum nível mas sim dum conjunto de vários níveis tão próximos, que mal se podem distinguir.
Para um electrão passar á condução necessita de adquirir uma energia tal, que o liberte da ligação ao átomo na sua camada de valência e o torne um electrão livre, para que possa flutuar no “vazio atómico” entre os átomos.
Mas para os vários elementos e compostos na natureza a diferença entre a energia da banda de condução e a energia da banda de valência é variável. E é esta diferença de bandas de energia que torna as substancias mais ou menos permeáveis á passagem de corrente eléctrica e como tal as torna isoladoras (não condutor), condutoras ou semicondutoras.
Os electrões colocados entre cada dois átomos pertencem aos dois átomos em simultâneo (fazem parte das suas orbitais de valência) e eles em si, é que constituem a própria ligação covalente. Uma estrutura assim constituída dificilmente liberta electrões e os materiais Semicondutores, em condições normais são isolantes. Para os tornar condutores é necessário alterar a sua estrutura cristalina, adiciona-se então á estrutura do semicondutor outro elemento com uma estrutura atómica, a este átomo de outro elemento assim inserido no meio da estrutura cristalina, dá-se o nome de impureza. A um Semicondutor sem impurezas chama-se Intrínseco, ao ser-lhe adicionado uma impureza, o Semicondutor já não é puro e passa-se a chamar de Extrínseco. Já vimos que os elementos base para o fabrico de Semicondutores são o germânio e o silício e, as impurezas que lhe adicionamos de forma a conseguirmos electrões em excesso nas ligações covalentes são elementos que tenham 5 electrões na camada de valência. Os mais usados para esses fins são o Arsénio (As) e o Antimónio (Sb). O Semicondutor assim conseguido fica com excesso de electrões, logo com excesso de carga negativa, por isso se chama “Semicondutor Extrínseco Tipo N”. Este processo de introdução de impurezas num Semicondutor chama-se de “dopagem”. Alem da forma de “dopagem“ já apresentada existe ainda uma outra, que consiste em alterar o Semicondutor intrínseco inicial de forma a ficar com falta de electrões nas ligações covalentes criando assim o que se chama de “lacuna”. A “presença” de lacunas num cristal Semicondutor facilita o movimento de electrões no interior do cristal, logo aumenta a sua condutividade eléctrica. Agora se encostarmos um cristal tipo P a outro tipo N, vamos conseguir através da imposição de campos eléctricos e diferenças de potencial entre os cristais, provocar o movimento dos electrões que estão a mais no Semicondutor tipo N para as lacunas do Semicondutor tipo P, assim conseguimos estabelecer uma corrente eléctrica.
É BOM SABER
Junção PN (diodo de junção)
Um semicondutor pode ser dopado para ter um exesso de electrões livres ou exesso de lacunas, por isso existem dois tipos de semicondutores dopados.
Junção P - N polarização directamente
Diz-se que um dìodo está directamente polarizado quando a tensão aos seus terminais é tal que o pólo positivo da fonte de tensão usada para polarização fica ligado ao “lado P” da junção e o pólo negativo ao “lado N”.
Com a junção assim polarizada foram-se uma corrente directa e como tal os electrões são atraídos para o pólo positivo da pilha e as lacunas são atraídas para pólo negativo da pilha, originado assim recombinações de pares de electrão-lacuna, até se atingir uma situação de equilíbrio. Quando esse equilíbrio é atingido, cria-se na zona de depleção um campo eléctrico que ira dar origem a uma barreira de potencial que assume os seguintes valores:
Aproximadamente 0.3 V para Semicondutores de Germânio.
Aproximadamente 0.7 V para Semicondutores de Silício.
Junção P - N polarizada inversamente
Polarização inversa
Diz-se que está inversamente polarizado quando a tensão aplicada aos seus terminais é tal que o pólo positivo da fonte de tensão aplicada aos seus terminais é tal que o pólo positivo da fonte de tensão utilizada para polarizar a junção fica ligado ao “lado N” da junção e o pólo negativo ao”lado P”. Com este tipo de polarização as lacunas são atraídas para o pólo negativo da pilha, e os electrões para o pólo positivo, assim lacunas e electrões vão se afastando do centro da junção contribuindo para um aumento da barreira de potencial na zona de depleção, dificultando assim senão mesmo impedindo, o movimento das lacunas e electrões livres na junção, o que implica ausência de qualquer corrente mensurável, isto é corrente de portadores minoritários, perfeitamente desprezível em termos de análise de circuitos.
Nota: os sinais (+) e (-) junto as extremidades de junção representam respectivamente lacunas e electrões.
Aprofundamento do estudo da característica do Díodo
Tensão de joelho
Na região directa, a tensão na qual a corrente começa a aumentar rapidamente é chamada de tensão de joelho do díodo. A tensão de joelho é igual à barreira de potencial, a analise de circuitos com díodo geralmente se resume em determinar se a tensão no díodo é maior ou menor do que a tensão do joelho. Se for maior, o díodo conduz intensamente, se for menor, o díodo conduz com pouca força.
Aprendemos que a tensão de joelho de um díodo de silício é definida como V ≃ 0.7 volts, como se pode ver no gráfico.
ZONA DE CONDUÇÃO – nesta zona o díodo está a funcionar em polarização directa e a relação entre a tensão e corrente, nada tem delinear, é antes uma curva exponencial. ZONA DE CORTE OU BLOQUEIO – esta zona pode na verdade ser ainda dividida em duas Subzonas, uma onde o díodo está polarizado directamente, mas ainda não atingiu a tensão limiar, logo ainda não está a condução. Outra subzona que aqui pode ser considerada é a sua zona onde o díodo está polarizado inversamente e onde é atravessado só pela corrente inversa da saturação I0, que é uma corrente devida só aos portadores minoritários e é da ordem de grandeza dos µA até décima de mA para o Germânio e dos µA até pA para o Silício á temperatura normal de funcionamento. ZONA DE AVALANCHE OU DISRUPÇÃO – ESTA É UMA ZONA PROIBIDA PARA OS DIODOS NORMAIS, POIS QUE AO EXEDER (SEMPRE EM VALORES NEGATIVOS) A, TENSÃO DE ZENER Vz, O DÍODO ENTRA EM DISRUPÇÃO, OU SEJA A JUNÇÃO DESTROI-SE POR EXESSO DE POTENCIA DISSIPADA. Visto que a esta tensão Vz a corrente tende para infinito por valores negativos, o que levará obviamente a uma potencia dissipada teoricamente infinita. O nome de tensão de “Zener” provém do facto de existirem uns doídos especialmente fabricados para funcionarem nesta zona e que se chamam doídos “Zener”.
Da característica acima apresentada concluímos que os doídos são componentes não lineares, e portanto não lhes podemos aplicar directamente a Lei de Ohm quando os analisamos inseridos num circuito, deve-se então, aproximar a sua característica a troços lineares ou aplicar um método gráfico de resolução do problema, que no caso dos diodos é o estudo da recta de carga.
Díodo Ideal, sua Caractrística
Até aqui falamos do díodo real e ficámos sensíveis aos seus “defeitos” e “imperfeições”, vamos agora ver como seria um díodo “ideal, logo sem nenhum desses defeitos. Um díodo idealmente devia sempre conduzir livremente num sentido e noutro não deixar passar corrente absolutamente nenhuma, como tal em polarização directa o díodo deveria apresentar uma resistência nula e uma tensão de limiar igual a 0Volts e em polarização inversa devia apresentar uma resistência infinita para que nenhuma corrente o atravessasse.
A tensão de Zener deveria ser (-∝). Neste caso a característica do díodo ideal seria a da imagem representada em cima.
È muito bom saber
Quando você está analisando defeitos num circuito que contêm um díodo de silício, que por suposição está polarizado directamente, uma medição da tensão no díodo muito maior do que 0.7 v significa que ele tem uma falha e está de facto aberto.
Circuito com doídos
A maioria dos sistemas electrónicos, como os aparelhos de televisão, DVD, CD e computadores, precisam de uma fonte de alimentação C.C. para funcionar correctamente. Como a energia eléctrica disponível é em tensão alternada, a primeira providencia que devemos tomar é converter a tensão o da rede eléctrica C.A. em uma tensão C.C., a parte do sistema electrónico que produz a tensão C.C. é chamada de fonte de alimentação, dentro da fonte de alimentação estão os circuitos que fazem a corrente circular em apenas um sentido, eles são chamados de rectificadores.
Neste módulo, alem de estudar profundamente os semicondutores também estudei e realizei ensaios práticos em laboratório na ATEC, com circuitos, rectificadores, filtros, multiplicadores de tensão etc.
Rectificador de meia onda
Num circuito rectificador de meia onda, a fonte C.A. produz uma tensão sinusoidal. Supondo que um díodo ideal, o semi-ciclo positivo da tensão da fonte ira polarizar o díodo directamente. Como ele é uma chave fechada, conforme mostro na figura em baixo, o semi-ciclo negativo da fonte de A.C. aparecerá na resistência de carga.
No semi-ciclo negativo, o díodo esta polarizado reversamente, nesse caso o díodo ideal será uma chave aberta e não aparecerá tensão na resistência de carga.
Fases da rectificação de meia onda.
Esta é a chamada rectificação de meia-onda, na qual há supressão de uma alternância e aproveitamento da outra.E não será possível aproveitar as duas? Sim, utilizando por exemplo os circuitos que é costume designar-se por rectificador de onda completa.
Rectificador de onda completa usando transformador de ponto médio.
Rectificador de onda completa usando transformador de ponto médio. O termo rectificação de onda completa pressupõe que na saída iremos ter a onda de entrada totalmente rectificada, sem se perder nenhumas das alternâncias, como acontece no circuito anteriormente apresentado, como tal o que temos a fazer é deixar passar livremente para a saída uma das alternâncias e inverter a outra que no caso anterior se cortava.
Uma das hipóteses de conseguir este objectivo é o circuito apresentado na figura em baixo, que tem como componente principal, um transformador que permite o acesso a um ponto médio do enrolamento do secundário.
Podemos concluir que cada díodo conduz na sua alternância
Rectificador de onda completa usando tranformador
Rectificação de onda completa por ponte de díodos
Rectificação de onda completa por ponte de díodos.
Esta é a forma hoje em dia mais utilizada de se conseguir uma rectificação de onda completa, pois não necessitamos dum transformador de ponto médio, que é um componente normalmente caro e nem sempre fácil de encontrar nos valores desejados.
A desvantagem desta montagem é o facto de agora necessitarmos de 4 díodos e não de 2, como no caso anterior, mas hoje em dia essa desvantagem está completamente ultrapassada pois já se vendem pontes de díodos integradas, isto é um circuito de 4 terminais, cada um ligado a cada ponto de junção dos díodos integradas.
Este novo componente encontra-se no mercado, a muito baixo preço e com muita facilidade. Tal como no caso anterior o que este circuito faz é deixar passar para a saída a alternância positiva e inverter a alternância negativa, de tal forma que na saída também possa aparecer como valores positivos.
Ao fenómeno de oscilação da tensão de saída chama-se Ripple
Quando se liga o circuito, começando vi em zero, a tensão vc irá acompanhar a tensão de entrada porque, sendo a díodo ideal, logo que vi = 0 o díodo conduz passando a funcionar como curto-circuito.
Quando vi atinge o máximo Enquanto a tensão vc decresce, a tensão de entrada vai evoluir, descendo até ao seu valor mínimo e depois subindo, até que acontece um instante em vi iguala o valor de vc e continua a subir. A partir desse instante vi > vc, o díodo começa a conduzir e vc acompanha de novo vi , repetindo-se este processo daí em diante, enquanto subsistir vi .
Ao fenómeno de oscilação da tensão de saída chama-se Ripple (ou ondulação residual) e ao valor dessa oscilação chama-se tensão de Ripple (vr). No caso da tensão de entrada apresentada na Figura , a tensão de Ripple dá-nos uma ideia da maior ou menor aproximação da tensão de saída a uma tensão contínua.
Como é óbvio, o valor vr, depende só da relação entre o tempo de descarga do condensador (a constante de tempo do circuito de descarga é RC), e o período do sinal de entrada. Para um período constante do sinal de entrada, quanto maior for a constante de tempo t=RC , menor será vr já que mais próximo de Vp estará v'.
Não é fácil falar de electrónica sem falar de fórmulas e de matemática, não o fiz propositadamente para que esta minha página do módulo de Electrónica analógica – semicondutores mantivesse algum interesse e não se tornasse demasiado complicado para quem não tem bases de electricidade e mesmo de electrónica, mas no entanto deixo na coluna da direita alguns dos muitos exercícios realizados por mim ao longo deste módulo.
É com muita satisfação que agradeço as visitas a este meu trabalho de PRA
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