Circuitos eletrônicos - diodo como um interruptor
O diodo é uma junção PN de dois terminais que pode ser usada em várias aplicações. Uma dessas aplicações é uma chave elétrica. A junção PN, quando polarizada direta atua como circuito fechado e quando polarizada reversa atua como circuito aberto. Portanto, a mudança dos estados polarizados direto e reverso faz com que o diodo funcione como uma chave, oforward ser ON e a reverse ser OFF Estado.
Chaves elétricas sobre chaves mecânicas
Interruptores elétricos são uma escolha preferida em vez de interruptores mecânicos devido aos seguintes motivos -
- Interruptores mecânicos são propensos à oxidação de metais, enquanto interruptores elétricos não.
- Os interruptores mecânicos têm contatos móveis.
- Eles são mais sujeitos a estresse e tensão do que interruptores elétricos.
- Os interruptores mecânicos gastos e rasgados geralmente afetam seu funcionamento.
Portanto, uma chave elétrica é mais útil do que uma chave mecânica.
Funcionando do diodo como um interruptor
Sempre que uma tensão especificada é excedida, a resistência do diodo aumenta, fazendo com que o diodo seja polarizado de forma reversa e ele atua como uma chave aberta. Sempre que a tensão aplicada está abaixo da tensão de referência, a resistência do diodo diminui, tornando o diodo polarizado diretamente, e ele atua como uma chave fechada.
O circuito a seguir explica o diodo atuando como uma chave.
Um diodo de comutação tem uma junção PN na qual a região P é levemente dopada e a região N é fortemente dopada. O circuito acima simboliza que o diodo fica LIGADO quando a tensão positiva polariza o diodo e ele DESLIGA quando a voltagem negativa polariza o diodo.
Toque
Como a corrente direta flui até então, com uma voltagem reversa repentina, a corrente reversa flui para uma instância em vez de ser desligada imediatamente. Quanto maior for a corrente de fuga, maior será a perda. O fluxo de corrente reversa quando o diodo é polarizado de repente, pode às vezes criar algumas oscilações, chamadas deRINGING.
Essa condição de toque é uma perda e, portanto, deve ser minimizada. Para fazer isso, os tempos de comutação do diodo devem ser entendidos.
Tempos de troca de diodo
Ao alterar as condições de polarização, o diodo sofre uma transient response. A resposta de um sistema a qualquer mudança repentina de uma posição de equilíbrio é chamada de resposta transitória.
A mudança repentina de polarização direta para reversa e de polarização reversa para direta afeta o circuito. O tempo necessário para responder a essas mudanças repentinas é o critério importante para definir a eficácia de uma chave elétrica.
O tempo que leva antes que o diodo recupere seu estado estacionário é chamado de Recovery Time.
O intervalo de tempo levado pelo diodo para mudar do estado de polarização reversa para o estado de polarização direta é chamado de Forward Recovery Time.($t_{fr}$)
O intervalo de tempo levado pelo diodo para mudar do estado polarizado direto para o estado polarizado reverso é chamado de Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)
Para entender isso mais claramente, vamos tentar analisar o que acontece quando a tensão é aplicada a um diodo comutador PN.
Concentração de portador
A concentração de portadores de carga minoritária reduz exponencialmente quando visto longe da junção. Quando a tensão é aplicada, devido à condição de polarização direta, a maioria das portadoras de um lado se move em direção ao outro. Eles se tornam portadores minoritários do outro lado. Essa concentração será mais na junção.
Por exemplo, se o tipo N for considerado, o excesso de buracos que entram no tipo N após a aplicação da polarização direta, adiciona aos portadores minoritários já presentes de material do tipo N.
Vamos considerar algumas notações.
- A maioria dos portadores em tipo P (buracos) = $ P_ {po} $
- A maioria dos portadores no tipo N (elétrons) = $ N_ {no} $
- Os portadores minoritários no tipo P (elétrons) = $ N_ {po} $
- A maioria das operadoras em tipo N (buracos) = $ P_ {no} $
During Forward biased Condition- As operadoras minoritárias estão mais próximas do entroncamento e menos distantes do entroncamento. O gráfico abaixo explica isso.
Excesso de carga da operadora minoritária em P-type = $ P_n-P_ {no} $ com $ p_ {no} $ (valor de estado estacionário)
Excesso de carga da operadora minoritária no tipo N = $ N_p-N_ {po} $ com $ N_ {po} $ (valor de estado estacionário)
During reverse bias condition- As operadoras majoritárias não conduzem a corrente através da junção e, portanto, não participam da condição da corrente. O diodo de comutação se comporta como um curto-circuito para uma instância na direção reversa.
As operadoras minoritárias vão cruzar a junção e conduzir a corrente, que é chamada de Reverse Saturation Current. O gráfico a seguir representa a condição durante a polarização reversa.
Na figura acima, a linha pontilhada representa os valores de equilíbrio e as linhas sólidas representam os valores reais. Como a corrente devido aos portadores de carga minoritários é grande o suficiente para conduzir, o circuito estará LIGADO até que esse excesso de carga seja removido.
O tempo necessário para o diodo mudar de polarização direta para polarização reversa é chamado Reverse recovery time ($t_{rr}$). Os gráficos a seguir explicam os tempos de comutação do diodo em detalhes.
Da figura acima, vamos considerar o gráfico da corrente do diodo.
Em $ t_ {1} $, o diodo é repentinamente colocado no estado OFF do estado ON; é conhecido como tempo de armazenamento.Storage timeé o tempo necessário para remover a carga da operadora minoritária em excesso. A corrente negativa fluindo de material tipo N para P é de uma quantidade considerável durante o tempo de armazenamento. Esta corrente negativa é,
$$ - I_R = \ frac {-V_ {R}} {R} $$
O próximo período de tempo é o transition time”(De $ t_2 $ a $ t_3 $)
O tempo de transição é o tempo que leva para o diodo chegar completamente à condição de circuito aberto. Depois de $ t_3 $, o diodo estará em condição de polarização reversa de estado estacionário. Antes de $ t_1 $, o diodo está sob condição de polarização direta de estado estacionário.
Portanto, o tempo necessário para chegar completamente à condição de circuito aberto é
$$ Reverter \: \: recovery \: \: time \ left (t_ {rr} \ right) = Armazenamento \: \: time \ left (T_ {s} \ right) + Transição \: \: time \ left ( T_ {t} \ right) $$
Considerando que para obter a condição LIGADA a partir de DESLIGADA, leva menos tempo chamado Forward recovery time. O tempo de recuperação reversa é maior do que o tempo de recuperação avançada. Um diodo funciona como uma chave melhor se o tempo de recuperação reversa for menor.
Definições
Vamos apenas examinar as definições dos períodos de tempo discutidos.
Storage time - O período de tempo durante o qual o diodo permanece no estado de condução, mesmo no estado de polarização reversa, é chamado de Storage time.
Transition time - O tempo decorrido para retornar ao estado de não condução, ou seja, polarização reversa de estado estacionário, é chamado Transition time.
Reverse recovery time - O tempo necessário para o diodo mudar de polarização direta para polarização reversa é chamado de Reverse recovery time.
Forward recovery time - O tempo necessário para o diodo mudar de polarização reversa para polarização direta é chamado de Forward recovery time.
Fatores que afetam os tempos de comutação do diodo
Existem alguns fatores que afetam os tempos de comutação do diodo, como
Diode Capacitance - A capacitância da junção PN muda dependendo das condições de polarização.
Diode Resistance - A resistência oferecida pelo diodo para mudar seu estado.
Doping Concentration - O nível de dopagem do diodo, afeta os tempos de comutação do diodo.
Depletion Width- Quanto mais estreita for a largura da camada de depleção, mais rápida será a comutação. Um diodo Zener tem uma região de depleção estreita do que um diodo de avalanche, o que torna o primeiro uma opção melhor.
Formulários
Existem muitas aplicações nas quais os circuitos de comutação de diodo são usados, como -
- Circuitos retificadores de alta velocidade
- Circuitos de comutação de alta velocidade
- Receptores RF
- Aplicativos de uso geral
- Aplicações de consumo
- Aplicações automotivas
- Aplicativos de telecomunicações etc.