Estudo sobre semicondutores de potência e
atividades práticas.
Profª M.Sc Suzy Nogueira
São José dos Campos, 2025
SP – Brasil
IFSP - Instituto Federal de São Paulo
Campus - São José dos Campos
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Semicondutores de Potência, Manuais, Projetos, Pesquisas de Dispositivos Semicondutores
Introdução sobre os principais semicondutores de potencia e alguns roteiros para serem utilizados no laboratório de Eletrônica Analógica.
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
2024
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Estudo sobre semicondutores de potência e
atividades práticas.
Profª M.Sc Suzy Nogueira
São José dos Campos, 2025
SP – Brasil
IFSP - Instituto Federal de São Paulo
Campus - São José dos Campos
Sumário
- 1. Introdução - 2. Principais Tipos de Semicondutores de Potência - 3. Aplicações dos Semicondutores de Potência: - 4. Desafios e Futuro dos Semicondutores de Potência - 5. Diodos de potência - 5.2. Estrutura do Diodo
- 5.3. Operação de diodo
- 5.4. Características do diodo
- 5.5. Outras características do diodo
- Tipos de diodos
- Aplicações de diodo
- 7.1. Diodo Retificador
- 7.1.1. Retificador de Meia Onda
- 7.1.2. Retificador de Onda completa.........................................................................
- 7.2. Clipe e fixação
- 7.3. Outras aplicações
- Diodo Zener
- 8.1. Princípio de Funcionamento...............................................................................
- 8.2. Principais Características
- Aplicações do Diodo Zener.
- Experimento 1 - Circuito com um diodo semicondutor
- Experiência 2 – Curva característica de um diodo..............................................................
- Experiência 3 – Montagem Experimental de um Retificador de Meia-Onda
- tap Experiência 4 – Montagem Experimental de um Retificador de Onda Completa com center
- Experiência 5 – Montagem Experimental de um Retificador de Onda Completa em ponte
- Experiência 6 – Circuitos com diodo zener.........................................................................
- Experiência 7 – Circuitos com diodo zener......................................................................... - Referências
Figura 01 - Limites de capacidade de componentes semicondutores de potência. Fonte: Pomilio, José. 1. COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA. Os semicondutores de potência são usados para controlar o fluxo de eletricidade em sistemas como inversores, conversores de tensão, controladores de motores, entre outros.
2. Principais Tipos de Semicondutores de Potência Existem diversos tipos de semicondutores de potência, cada um com suas características e aplicações específicas. Abaixo estão alguns dos dispositivos mais utilizados: I. Diodo de Potência: Utilizado para converter corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC) em retificadores. Capaz de conduzir grandes correntes em uma única direção, bloqueando a corrente no sentido inverso. II. Transistor Bipolar de Junção (BJT):
Dispositivo de potência que pode controlar grandes quantidades de corrente com um pequeno sinal de controle. Embora menos eficiente que outros dispositivos modernos, o BJT é usado em algumas aplicações de potência. III. Transistor de Efeito de Campo de Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET): Um dos mais utilizados semicondutores de potência em sistemas de comutação de alta frequência. Alta eficiência e rápidas velocidades de comutação tornam o MOSFET ideal para aplicações em conversores e inversores. IV. Tiristor (SCR) : Utilizado em controle de corrente alternada (CA) e em retificadores controlados. Capaz de conduzir grandes correntes, é amplamente utilizado em aplicações industriais. V. IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada): Combina as vantagens do BJT e do MOSFET. Muito utilizado em aplicações de alta potência e baixa frequência, como controle de motores e inversores de energia.
3. Aplicações dos Semicondutores de Potência: Os semicondutores de potência têm uma vasta gama de aplicações que vão desde o controle de sistemas de energia até eletrônicos de consumo. Alguns exemplos incluem: Eletrônica de Potência: Conversores, inversores e fontes de alimentação comutadas usam semicondutores de potência para transformar e regular a energia elétrica de maneira eficiente. Veículos Elétricos: O controle de motores elétricos e a gestão das baterias em veículos elétricos depende fortemente de semicondutores de potência, especialmente MOSFETs e IGBTs.
5.1. Noções básicas sobre diodos Em aplicações eletrônicas, os diodos funcionam como interruptores simples que permitem unicamente o fluxo de corrente em uma direção. Os diodos de potência possuem maiores capacidades de potência, voltagem e manuseio de corrente. Eles são amplamente empregados em circuitos eletrônicos de potência para uma variedade de propósitos, incluindo retificação, regulação de voltagem e proteção. 5.2. Estrutura do Diodo Um diodo é um dispositivo semicondutor que compreende uma junção pn formada pela combinação de materiais semicondutores do tipo p e do tipo n. O material do tipo p contém um excesso de buracos ou uma deficiência de elétrons, enquanto o material do tipo n contém um excesso de elétrons, o que restringe o fluxo de corrente através da junção em apenas uma direção. Os dois terminais de um diodo são o ânodo, que é conectado à camada do tipo p, e o cátodo, que é conectado à camada do tipo n, conforme ilustrado na Figura 1. A região de depleção, que é a interface entre os materiais do tipo p e do tipo n, é desprovida de portadores de carga e desempenha um papel crítico na operação do diodo. Figura 02 – Representação simbólica do diodo. O símbolo comum usado para diodos é mostrado na Figura 0 2.
5.3. Operação de diodo A operação de um diodo pode ser entendida examinando o comportamento da junção PN sob diferentes condições de tensão. Quando uma tensão positiva é aplicada ao ânodo em relação ao cátodo (polarização direta), a região de depleção se estreita, permitindo que a corrente flua através do diodo. No estado polarizado diretamente, o diodo exibe baixa resistência ao fluxo de corrente e permite que a corrente passe por ele com queda mínima de tensão. Pelo contrário, quando uma tensão negativa é aplicada ao ânodo em relação ao cátodo (polarização reversa), a região de depleção se alarga, bloqueando efetivamente o fluxo de corrente através do diodo. No estado de polarização reversa, o diodo exibe resistência muito alta ao fluxo de corrente, permitindo que apenas uma corrente de fuga insignificante flua (na faixa de micro ou miliamperes). No entanto, quando a tensão reversa excede a tensão de ruptura do diodo, o diodo começa a conduzir corrente na direção reversa. Isso pode danificar permanentemente o dispositivo se a corrente não for adequadamente limitada. Às vezes, os requisitos em certas aplicações exigem classificações de tensão e corrente mais altas, que podem ser atendidas por um único diodo. É possível aumentar a classificação de tensão conectando vários diodos em série. Da mesma forma, para aumentar a classificação de corrente, os diodos podem ser conectados em paralelo. No entanto, é importante escolher diodos com características semelhantes para evitar qualquer dano aos diodos implantados. 5.4. Características do diodo Entender as características do diodo é crucial para a engenharia de circuitos eletrônicos de potência. As características primárias dos diodos incluem o seguinte: a) Queda de tensão direta (Vf): A queda de tensão direta (Vf) refere-se à queda de tensão nos terminais do diodo em um nível de corrente definido quando ele é polarizado diretamente (quando o ânodo tem um potencial maior em comparação ao cátodo). Quando um diodo é polarizado diretamente, a tensão aplicada deve superar a barreira de potencial embutida na junção PN para que a corrente flua. A queda de tensão direta é tipicamente entre 0,6 V e 0,7 V para diodos de silício e em torno de 0,2 V a 0,3 V para diodos Schottky. b) Tensão de ruptura reversa (Vbr): A tensão de ruptura reversa (Vbr) é um parâmetro crucial que caracteriza a tensão reversa máxima que um diodo pode suportar antes
recuperação reversa e quando ele atinge aproximadamente 0,25 de IR. A constante de tempo ta é atribuída ao armazenamento de cargas na região de depleção da junção, enquanto tb é devido ao armazenamento de cargas no material semicondutor a granel. Um pequeno trr é desejável, particularmente para aplicações de alta frequência, e idealmente, ele deve se aproximar de zero. No entanto, isso pode levar ao aumento das despesas de fabricação. Em contraste, o tempo de recuperação direta de um diodo é caracterizado pelo tempo de ativação, que é a duração que leva para um diodo ligar e permitir que todas as portadoras majoritárias contribuam para o fluxo de corrente após serem polarizadas diretamente de um estado polarizado reverso.
6. Tipos de diodos Os diodos de potência podem ser classificados em três categorias principais com base no tempo de recuperação reversa e nas técnicas de fabricação, a saber: a) Diodos de uso geral: Esses tipos de diodos geralmente têm um alto tempo de recuperação reversa, geralmente na faixa de dezenas de microssegundos, como 25 μs. Eles são apropriados para aplicações de baixa frequência, como retificadores e conversores com baixas frequências de entrada. As classificações de tensão desses diodos geralmente variam de 50 V a aproximadamente 5 kV. Além disso, as classificações de corrente geralmente variam de menos de 1 A a milhares de amperes. b) Diodos de recuperação rápida: Diodos desse tipo normalmente têm um tempo de recuperação reversa menor que 5 μs, tornando-os adequados para uso em circuitos conversores CC-CC e CC-CA, onde o tempo de recuperação é um fator crítico. A faixa de voltagem desses diodos é normalmente entre 50 V e aproximadamente 3 kV, enquanto a faixa de corrente é geralmente de menos de 1 A a milhares de amperes. c) Diodos Schottky: Os diodos Schottky apresentam uma baixa queda de tensão direta variando de 0,15-0,45 V e um curto tempo de recuperação reversa de aproximadamente dez nanossegundos. A capacitância reduzida presente no diodo, que é apenas a capacitância de junção, é responsável pelo baixo tempo de recuperação reversa. No entanto, os diodos Schottky têm limitações, como baixas classificações de tensão reversa e aumento da corrente de fuga. A tensão máxima
permitida para esse tipo de diodo é normalmente limitada a 100 V, e a classificação de corrente varia de 1 a 400 A. Os diodos Schottky são adequados para fontes de alimentação CC de alta e baixa tensão, bem como fontes de alimentação de baixa corrente para aumentar a eficiência. Na figura 05, temos alguns exemplos de diodos de potência com as respectivas tensões de trabalho. Figura 05 - alguns exemplos de diodos de potência e suas tensões de trabalho Fonte: https://www.ecured.cu/Diodos_de_potencia
7. Aplicações de diodo Diodos têm uma ampla gama de usos em circuitos eletrônicos devido à sua capacidade de conduzir corrente em uma única direção. Aqui estão as seguintes aplicações: 7.1. Diodo Retificador Diodos são comumente usados em circuitos de retificação para converter entradas CA em saídas CC, transformando a tensão alternada em uma tensão continua pulsante unidirecional., como ilustra a figura 06 a seguir:
Figura 08 - forma de onda de saída do retificador de meia onda Na figura 09 temos o circuito retificador de meia onda Figura 09 – circuito retificador de meia onda 7.1.2. Retificador de Onda completa O retificador de meia onda corta as partes negativas ou positivas da onda senoidal de entrada, dependendo de como o diodo está posicionado. O retificador de onda completa “rebate” as partes negativas das ondas, as tornando positivas, como pode ser observado na figura 10 , a saída de um retificador de onda completa, tem a seguinte forma na saída: Figura 10 – forma de onda de saída do retificador de onda completa
A retificação de onda completa usa uma ponte de diodos consistindo de quatro diodos dispostos em uma configuração específica para retificar ambas as metades da forma de onda CA, figura 11 : Figura 11 – circuito retificador de onda completa Esta configuração resulta em uma saída CC pulsante com uma frequência duas vezes maior que a do sinal CA de entrada e é um processo mais eficiente que produz menor conteúdo de ondulação em comparação à retificação de meia onda. Como tal, a retificação de onda completa é uma opção mais adequada para várias aplicações, incluindo fontes de alimentação, carregadores de bateria e acionamentos de motor CC. 7.2. Clipe e fixação Na retificação de meia onda, um único diodo bloqueia a metade positiva ou negativa da forma de onda CA, resultando em uma saída CC pulsante com uma frequência equivalente à do sinal CA de entrada. Por outro lado, a retificação de onda completa usa uma ponte de diodos consistindo de quatro diodos dispostos em uma configuração específica para retificar ambas as metades da forma de onda CA. Isso resulta em uma saída CC pulsante com uma frequência duas vezes maior que a do sinal CA de entrada e é um processo mais eficiente que produz menor conteúdo de ondulação em comparação à retificação de meia onda. Como tal, a retificação de onda completa é uma opção mais adequada para várias aplicações, incluindo fontes de alimentação, carregadores de bateria e acionamentos de motor CC.
a) Tensão Zener (Vz): A tensão na qual o diodo entra em condução reversa. Essa tensão é específica para cada diodo e pode variar de alguns volts a centenas de volts, dependendo do modelo. b) Corrente Zener (Iz): A corrente mínima que deve passar pelo diodo Zener para que ele mantenha sua tensão estabilizada. Abaixo dessa corrente, o diodo não funcionará corretamente. c) Potência Dissipada (Pz): A potência que o diodo Zener pode dissipar sem ser danificado. Essa potência depende do produto da tensão Zener pela corrente Zener. Valores típicos são 0,25W, 0,5W, 1W, etc. d) Resistência Zener: O diodo Zener possui uma resistência dinâmica (resistência interna) que influencia ligeiramente a estabilidade da tensão quando há variação na corrente. Quanto menor a resistência, maior a precisão da tensão estabilizada.
9. Aplicações do Diodo Zener. Estabilizador de Tensão: Uma das principais aplicações do diodo Zener é em circuitos reguladores de tensão. Ele é utilizado para manter uma tensão constante nos terminais de saída, independentemente de variações na tensão de entrada ou carga. Exemplo: Em fontes de alimentação, o diodo Zener pode ser utilizado para garantir uma saída estável de 5V para alimentar circuitos lógicos, mesmo que a tensão de entrada varie. Proteção de Circuitos (Clamping): O diodo Zener é utilizado para proteger circuitos eletrônicos sensíveis contra picos de tensão. Em caso de uma sobretensão, o diodo Zener entra em condução, limitando a tensão no circuito e evitando danos aos componentes. Exemplo: Em interfaces de comunicação como USB ou Ethernet, o diodo Zener é usado para evitar que picos de tensão interfiram no funcionamento dos dispositivos conectados. Referência de Tensão: Em circuitos de precisão, como conversores A/D e D/A, o diodo Zener pode ser usado como uma referência de tensão estável, fornecendo um ponto fixo para comparação de sinais.
Moduladores de Amplitude: Em alguns circuitos de comunicação, o diodo Zener é usado como um componente em moduladores, onde sua capacidade de manter a tensão constante é explorada para processar sinais. O diodo Zener é um componente crucial em muitas aplicações eletrônicas devido à sua habilidade de regular e estabilizar a tensão. Sua operação reversa, controlada por meio da tensão Zener, torna-o ideal para uso em fontes de alimentação estabilizadas, proteção contra sobretensões e como referência de tensão. A diversidade de valores de tensão e potência disponíveis torna o diodo Zener uma escolha versátil em diferentes áreas da eletrônica.
- Alimente o circuito conforme a tabela a seguir e anote a tensão no diodo (VD 1 ). A partir de qual tensão o Buzzer é acionado? Explique o funcionamento deste circuito. Tensão de Alimentação (V) VD 1 – V 0, 0, 0, 0, 0, 1 2 5 10
- Inverta o sentido do diodo no circuito da figura 01 e repita a etapa do item 2. O que acontece? Tensão de Alimentação (V) VD 1 – V 0, 0, 0, 0, 0, 1 2 5 10
- Quais suas conclusões sobre o experimento? Baseando-se nos conceitos de barreira de potencial e campo elétrico local, explique fisicamente o que ocorre com o diodo nas situações dos itens 2 e 3. IV. APLICAÇÃO DO CONHECIMENTO
- Cite alguns materiais semicondutores.
- Cite exemplos de materiais que podem ser utilizados como impurezas para a fabricação de semicondutores tipo N e P. Justifique.
- O que significa um diodo ser diretamente polarizado? E inversamente polarizado?
- Para que os diodos de silício e germânio conduzam corrente elétrica quando diretamente polarizados, qual é a tensão mínima que necessitamos aplicar entre seus terminais?
NOME DO ALUNO: NOME DO ALUNO: NOME DO ALUNO: PROFESSOR: COMPONENTE CURRICULAR: TURMA: DATA:
Experiência 2 – Curva característica de um diodo
I – Objetivo: Levantamento da curva característica de um diodo. II - Equipamentos, Componentes e Ferramentas Utilizados: Multímetro. Protoboard Fonte de alimentação ajustável diodo semicondutor 1N4007; 1 resistor de 470 Ω. III – Procedimento Experimental:
- Faça uma pesquisa sobre o “datasheet” do diodo 1N4007 e anote suas principais características.
- Monte o circuito conforme a imagem a seguir: Imagem 01 – Circuito com o diodo polarizado diretamente.
- O procedimento consiste em montar o circuito com o diodo polarizado diretamente e variar a tensão elétrica fornecida pela fonte de alimentação entre 0 e 24 V.