FORMAÇÃO - PRÁTICAS DE ELECTRICIDADE
revista técnico-profissional
o electricista
46
Manuel Teixeira e Paulo Peixoto ATEC
ficha prática n.º 25
{INTRODUÇÃO À ELECTRÓNICA}
Na primeira Ficha Prática relacionada com a Electrónica foi dada uma introdução aos diversos tipos de materiais, nomeadamente, e o mais relevante para o estudo desta temática, os semicondutores. Nesta edição será dada continuidade com a abordagem aos díodos de junção.
2. DÍODOS DE JUNÇÃO PN A junção PN analisada no número anterior designa-se por díodo de junção. É constituído, como vimos, por um material do tipo N e outro do tipo P. A Figura 8 esquematiza o símbolo deste semicondutor. O lado P chama-se ânodo e o lado N designa-se por cátodo. O símbolo do díodo parece uma seta a apontar do lado P para o lado N, ou seja, do ânodo para o cátodo. Esta seta indica o sentido convencional da corrente eléctrica quando o díodo está polarizado directamente.
› Lei de Ohm Consideremos um condutor eléctrico ligando dois pontos a potenciais diferentes, e observamos uma determinada corrente eléctrica através desse condutor. Essa corrente é proporcional à tensão aplicada ou seja, duplica a tensão corresponde a duplicar a corrente. O físico alemão Georg Simon Ohm estabeleceu uma lei que relaciona a intensidade de corrente, a diferença de potencial e a resistência: Atendendo à definição de resistência de um condutor podemos concluir que: um condutor em que se verifique a Lei de ohm tem resistência constante. Tais condutores dizem-se óhmicos e estão nestas condições os condutores metálicos. Podemos assim estabelecer a Lei de ohm:
Há condutores em que a diferença de potencial (U) aplicada nos seus extremos é, para uma dada temperatura, directamente proporcional à intensidade de corrente (I) que os percorre. Figura 8 . Símbolo do díodo e sua constituição interna.
As aplicações deste componente são imensas. Enumeramos de seguida alguns destes exemplos: › Conversores de Potência AC/DC; › Rectificadores (aplicação por exemplo em fontes de alimentação); › Circuitos limitadores e fixadores; › Processamento de sinais; › Circuitos digitais.
Se estabelecermos uma representação gráfica para os condutores óhmicos, e não óhmicos teremos:
2.1› Polarização directa e polarização inversa de um díodo de junção Ao contrário das resistências, os díodos não obedecem à Lei de Ohm, não existindo por isso uma relação directa entre a corrente eléctrica e a tensão aplicada aos seus terminais. Relembramos esta lei pois torna-se fundamental a sua compreensão para uma posterior análise do comportamento deste semicondutor.
Figura 9 . Condutores óhmicos (esquerda) e condutores não óhmicos (direita).
FORMAÇÃO - PRÁTICAS DE ELECTRICIDADE
revista técnico-profissional
o electricista
48
A equação que descreve o funcionamento do díodo é a seguinte:
teste de conhecimentos 1. Os gráficos apresentados na Figura traduzem o comportamento de dois condutores, durante a realização de uma experiência, em que a temperatura se manteve constante. Seleccione de entre as seguintes proposições as verdadeiras.
onde: ID Corrente de díodo; IS Corrente de saturação inversa; VD Tensão através do díodo; V T Tensão térmica; N Coeficiente da emissão ou factor de idealidade. Este valor varia de aproximadamente 1 a 2, dependendo do processo da fabricação e o material do semicondutor. A tensão térmica (VT) é calculada através da expressão que se indica. O seu valor é de aproximadamente 25 mV à temperatura ambiente (conversão de Célsius para Kelvin: K = ° C + 273,15)
onde: K Constante de Boltzmann (1,38 x 10 -23 J/K); T Temperatura absoluta (Kelvin); q Carga do electrão (1,60 x 10 -19 C).
Figura 14 . Comportamento de dois condutores onde T= K.
A. A intensidade de corrente que percorre o condutor A é directamente proporcional à d.d.p. aplicada nos seus extremos; B. O condutor A quando submetido à d.d.p. de 10 V tem uma resistência de 25 1; C. A resistência do condutor B aumenta à medidaque a d.d.p. nos seus terminais aumenta; D. Para que a intensidade de corrente que percorre o condutor A seja de 1 A é necessário que a d.d.p. nos seus extremos seja de 25 V; E. O valor da resistência do condutor B quando a intensidade de corrente eléctrica é de 0,4 A é de 20 1.
2.
Considere o circuito básico constituído por um díodo ideal e uma resistência de 1 K1. Determine a tensão na resistência e a corrente que a percorre.
› Curva Ideal A Figura 13 mostra a curva característica tensão - corrente de um díodo ideal. Esta representação exprime-se por: Figura 15 . Verificação do comportamento do díodo ideal
› Tensão de arranque igual a 0 volts. Resistência nula numa polarização directa. u = 0 ; i > 0. › Corrente na região inversa igual a 0 amperes. Resistência infinita numa polarização inversa. u < 0 ; i = 0.
solução do teste anterior 1. Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro. À temperatura de zero graus absolutos (-273° C) comporta-se como um isolante, mas à temperatura ambiente (20° C) já torna-se num condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos electrões de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns electrões livres no semicondutor. Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco), este passa a ser um semicondutor extrínseco. As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco podem ser de dois tipos: impurezas ou átomos dadores e impurezas ou átomos aceitadores. › Átomos dadores têm cinco electrões de valência (pentavalentes): Arsénio (A S), Fósforo (P) ou Antimónio (Sb) › Átomos aceitadores têm três electrões de valência (trivalentes): Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou Alumínio (Al).
Figura 13 . Curvas características do díodo ideal (a). Comportamento do díodo ideal (b).
Como se verifica pelo gráfico o díodo comporta-se como um interruptor. É impossível construir tal dispositivo, mas isto seria o que um fabricante produziria se o conseguisse.
2. A introdução de átomos trivalentes (como o Gálio) num semicondutor intrínseco faz com que apareçam lacunas livres no seu interior. Como esses átomos aceitam electrões, são denominados impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores. O semicondutor é assim designado por semicondutor do tipo P. As lacunas estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente eléctrica. Os electrões, por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente eléctrica.