AULA 3 - Eletrônica Geral 1 - Técnico

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Modificado de: "APOSTILA PARA A DISCIPLINA ELETRÔNICA GERAL", MSc. Thiago Ribeiro de Oliveira, IFMG

Circuito básico

Nesta seção analisaremos o circuito a diodos mais elementar possível, mostrado na Figura abaixo, a qual possui uma fonte de tensão (E) um diodo (D1) e um resistor (R).

Para compreender o circuito apresentado na Figura, levantamos a equação de balanço de tensão do circuito:

E = VD + VR = VD + R.ID 

Considerando a tensão E = 10V (c.c.), a equação apresenta apenas duas variáveis (VD e ID).

Assim sendo, podemos avaliar qual seria o comportamento do circuito:

ID = (E − VD)/R 

Observa-se que para o circuito em questão, a tensão VD = 0,78 V e a corrente ID =9,22 mA.

Outra forma de se analisar o circuito seria utilizar os modelos aproximados discutidos no capítulo anterior. Para a segunda aproximação, por exemplo, teríamos:

ID = (10V − 0, 7V)/1kΩ
   = 9,3mA 

Nota-se que o erro obtido pela aproximação foi de aproximadamente 1%, algo irrisório, uma vez que a tolerância de muitos componentes elétricos é muito maior do que isso. Esse erro, no entanto, pode variar de diodo para diodo.

Para que a análise simplificada seja mais confiável, é importante verificar o datasheet do componente e buscar o valor de VD mais condizente com a aplicação.

Outros circuitos a diodos simples

Para se realizar a análise de circuitos a diodos é importante determinar primeiramente o sentido da corrente que passa pelo diodo e então empregar o modelo em polarização direta ou reversa.

A definição do sentido da corrente, contudo, pode não ser trivial à primeira vista, de modo que muitas vezes o estudante deve fazer uma investigação sobre o estado do dispositivo.

Iremos apresentar alguns exemplos de circuitos a diodos simples, de modo a podermos exemplificar formas de análise de circuitos a diodos.

Circuito série - diodo em corte I

Neste primeiro exemplo consideraremos o circuito mostrado na Figura acima.

Para se realizar a análise do referido circuito, devemos, primeiramente, determinar qual o sentido da corrente que a fonte de tensão está tentando impor ao circuito e assim determinar qual o tipo de polarização que o diodo se encontra.

Para definir este sentido, lançaremos mão de um artifício: 
Substituiremos inicialmente o diodo por um resistor e observaremos qual o sentido da corrente no circuito,  caso a corrente resultante esteja no mesmo sentido da ”seta” do diodo, ele estará em polarização direta, caso contrário, ele estará em polarização reversa. 

Notamos que, o sentido da corrente imposta pela fonte seria do catodo para o anodo do diodo, ou seja, estaria no sentido reverso à seta do diodo.

Assim, podemos concluir que o diodo no circuito acima entraria em corte (polarização reversa).

Uma vez conhecido o sentido da corrente, aplicamos o modelo adequado para o diodo, neste caso o diodo seria representado por um circuito aberto, como ilustrado na figura acima.

Perceba que a corrente no circuito seria de ID = 0 A, uma vez que o diodo em polarização reversa bloqueia a circulação de corrente.

Seguindo a lei de kirchhoff das tensões:

E − VD − R·ID = 0 

Substituindo o valor da corrente:

E − VD = 0 ⇒ VD = E 

Note que pela polaridade da tensão VD descrita na figura, a tensão entre anodo e catodo (VAK) seria VAK = −E.

Circuito série - diodo em corte II

Realizando sobre o circuito apresentado na Figura abaixo o mesmo artifício utilizado no exemplo anterior, para se descobrir o sentido da corrente, iremos verificar que o diodo se encontrará diretamente polarizado.

Substituindo então o diodo pelo seu modelo em polarização direta, obteremos o circuito mostrado abaixo:

Levantando a lei de kirchhoff das tensões, obteremos a seguinte expressão:

E − VD − R·ID = 0

A corrente do sistema será:

ID = (E − VD)/R

Substituindo valores, temos:

ID =(0,5V − 0,7V)/1, 2kΩ
 = −0, 17mA !!!!

Note que a corrente encontrada possui um sinal NEGATIVO, isto é, circula no sentido contrário ao definido no circuito.

Isto implica em se dizer que o diodo estaria reversamente polarizado, o que estaria em desacordo com a nossa análise.

Na realidade o que ocorreu foi o seguinte:

O diodo está diretamente polarizado, no entanto, a tensão da fonte é inferior à tensão limiar do diodo, o que indica que os portadores majoritários do diodo não conseguiram ainda vencer a barreira de potencial.

Logo, o diodo encontra-se em corte, isto é, apesar de polarizado diretamente a corrente que o atravessa é igual a zero.

Assim,

 ID = 0 e VAK = VD = 0,5V .

Circuito série - diodos conduzindo

Neste exemplo, ao invés de um diodo apenas, possuímos uma associação de dois diodos em série: um de Silício (VD = 0, 7V ) e um de Germânio (VD = 0, 3V ).

Para avaliar o sentido da corrente utilizamos o mesmo artifício empregado nos exemplos anteriores.

Ao fazer isso, notaremos que ambos os diodos estarão diretamente polarizados.

Substituindo então o símbolo dos diodos pelo seu modelo aproximado, obteremos o circuito da Figura:

Levantando a lei de kirchhoff das tensões, encontramos:

12V − 0,7 − 0,3 − 5,6kΩ·ID = 0 

Desta forma, podemos calcular o valor da corrente ID:

ID = (12V − 0,7V − 0,3V)/5,6kΩ
= 1, 96mA 

Para se definir a tensão Vo devemos observar que a corrente ID passará toda pelo resistor de 5,6kΩ, gerando uma tensão Vr = ID·5,6kΩ.

Essa tensão Vr possui a mesma diferença de potencial que a tensão Vo, de modo que Vr = Vo, assim;

 Vo = 1,96mA·5,6kΩ = 11V 

Outro caminho seria substituir a equação de Vo descrita anteriormente na equação da lei de kirchhoff de tensões:

12V − 0,7 − 0,3 − Vo = 0 → Vo = 12 − 0,7 − 0,3 = 11V 

Nota-se que para se definir as grandezas elétricas do circuito é necessário considerar as quedas de tensão em ambos os diodos.

Circuito série - duas fontes

Neste exemplo temos um circuito com duas fontes de tensão, como mostrado abaixo:

Nesse caso, poderíamos utilizar o artifício de substituir o diodo por um elemento resistivo e resolver o circuito como vínhamos fazendo até então, contudo, outro método de análise poderia ser utilizado com a mesma eficácia:

Assumiremos inicialmente que o diodo está em condução (sentido da corrente igual ao sentido da seta) e resolveremos o circuito. Se esta consideração estiver equivocada, ou seja, se o diodo na realidade estiver em corte, isso será indicado por incoerências nos valores de tensão e corrente encontrados.

Caso o diodo estivesse em condução, o sentido das correntes seria igual ao indicado na figura do exemplo, a equação da malha neste caso seria:

10V − R1.ID − VD − R2.I1 − 25V = 0 

Lembrando que, se o diodo conduz: I1 = ID e VD = 0, 7V .

Assim, teríamos:

ID = (10V − 25V − 0,7V)/(4,7kΩ + 1,5kΩ)
= −15, 1mA

Novamente encontramos uma corrente com sentido inverso ao determinado no início da análise. Isso significa que o diodo encontra-se na realidade em corte, ou seja, ID = 0A.

Logo, necessitamos refazer os nossos cálculos e modificar o modelo do diodo empregado.

Considerando que o diodo está inversamente polarizado, o circuito final ficaria como na segunda imagem da figura, aberto.

Notamos então que a corrente ID = I1 = 0A, a tensão VO = 25V , e a tensão sobre o diodo será:

VD = (10V − R1.ID) − (R2.I1 + 25V ) = 10V − 0 − (0 + 25V) = 10 − 25V = −15V

Circuito paralelo

Neste exemplo, existem dois diodos em paralelo no caminho da corrente.

Neste caso, a tensão entre os terminais dos diodos deve ser a mesma.

Isso indica que o diodo que possuir a menor tensão limiar irá impor esta tensão sobre o outro diodo.

Na prática, como não existem dois diodos com as mesmas características, a disposição de dispositivos em paralelo fará como que a corrente vista por cada diodo seja diferente (mesmo que minimamente), gerando o que chamamos de desequilíbrio de corrente.

O cálculo exato desse desequilíbrio é muito complicado de ser realizado, uma vez que não sabemos a priori as características exatas de um diodo específico.

(OBS: o datasheet de um diodo indica faixas de valores para um mesmo lote de componentes), por isso consideraremos para análise que todos os diodos de um mesmo tipo possuem características iguais.

No exemplo em questão temos um diodo de Silício e outro de Germânio em paralelo.

Utilizando o artifício do elemento resistivo verificamos que ambos os diodos estão diretamente polarizados, contudo, como a tensão limiar do diodo de Germânio é menor do que a do de Silício, o diodo de Germânio estará conduzindo e o de Silício estará em corte.

A Figura à direita exemplifica essa situação.

Assim, a corrente ID no diodo de Si = 0 e a corrente ID, no diodo de Ge será:

IDGe = (12V − 0,3V)/2,2kΩ
= 5, 32mA 

A tensão sobre a carga será:

VO = 12V − 0,3V = 11,7 V