Quando tratamos do osciloscópio como ferramenta de ensino e de pesquisa, vemos que este instrumento tem uma versatilidade incontestável que permite sua utilização numa infinidade de aplicações que justificam plenamente seu custo. De fato, levando em conta os novos padrões curriculares do STEM, o ensino técnico e mesmo o desenvolvimento de pesquisas, saber usar o osciloscópio é fundamental e disso tratamos nesta série de artigos baseados nas características dos osciloscópio InfiniiVision 2000X e 3000X da Keysight.
Neste artigo focalizaremos a utilização do osciloscópio na análise do tempo de recuperação de um diodo comum, característica que influi muito no uso deste componente em fontes de alimentação e circuitos de comutação rápida.
O tempo de recuperação de um diodo
As fontes de alimentação comuns, ligadas diretamente à rede de energia de 60 Hz em nosso país e mesmo as que operam em frequências um pouco mais altas, como as de 400 Hz de uso industrial, não precisam de componentes rápidos.
Assim, a retificação das tensões de entrada podem ser realizadas, sem problemas, por diodos comuns de silício.
No entanto, as características desses diodos não se adaptam às fontes chaveadas que operam com sinais de frequências muito mais altas, da ordem de dezenas de quilohertz e até mesmo maiores que 1 megahertz.
Os diodos retificadores comuns não respondem à essas frequências não conseguindo retificar de modo eficiente correntes alternadas que estejam acima de alguns quilohertz, pois eles possuem uma característica de retificação lenta.
Para essas fontes é preciso usar diodos que acompanhem as variações rápidas dos sinais que devem ser retificados, ou seja, diodos de recuperação rápida ou ultra rápida (fast recovery diodes ou ultra-fast recovery diodes).
Recuperação de um Diodo
Um diodo, como qualquer outro componente eletrônico, precisa de certo tempo para passar do seu estado de condução para não condução.
Para um diodo retificador comum, o que ocorre é que, partindo do estado de plena condução, quando a tensão é invertida no semiciclo seguinte e ele deve passar para a não condução, isso não acontece de modo imediato, conforme mostra o gráfico da figura 1.
Quando a tensão aplicada reduz, passando pelo ponto de zero, até atingir o seu máximo no sentido inverso, o diodo não deixa de conduzir imediatamente.
Ele ainda permanece em plena condução no sentido inverso por um certo tempo, que ele precisa para “se recuperar” da transição que ocorre.
Nesse intervalo, que pode chegar a mais de 1 milissegundo, para um diodo comum, o diodo se comporta como um dispositivo de baixa resistência, conduzindo intensamente a corrente.
Em outras palavras, durante esse intervalo, o dispositivo deixa de se comportar como um diodo, conduzindo a corrente também no sentido inverso.
Após a recuperação, que demora certo tempo que depende do dispositivo, o diodo se recupera e a sua resistência no sentido inverso aumenta, não havendo mais a circulação de nenhuma corrente no sentido inverso.
Numa aplicação de baixa frequência, por exemplo, retificando a corrente alternada da rede de energia, o tempo de recuperação é desprezível em relação ao tempo total de duração do semiciclo, conforme mostra a figura 2.
Nessas condições, a energia dissipada na condução inversa e mesmo a pequena corrente circulante não afetam de modo significativo o funcionamento do circuito.
No entanto, acima de certa frequência, esse tempo de recuperação se torna importante, podendo até superar o tempo de duração do semiciclo do sinal no sentido inverso, o que significa que “não dá tempo” para o diodo deixar de conduzir, e com isso a corrente não é retificada, conforme mostra a figura 3.
Para aplicações em que as corrente que devam ser retificadas possuam frequências elevadas, diodos que “se recuperem” rapidamente passando do estado de condução para não condução no mínimo tempo possível são necessários.
A Indústria classifica como diodos rápidos ou diodos de recuperação rápida (fast recovery) aqueles que possam tempo de recuperação inversa menores do que 500 ns. Esse valor é 1/10 do tempo típico que encontramos num retificador de silício comum.
São classificados comuns ultra-rápidos, os diodos que possam tempos de recuperação na faixa de 0,75 a 5 ns, para os tipos de pequeno sinal 10 a 100 V.
São classificados como ultra-rápidos também os diodos retificadores de 50 a 800 V que tenham tempo de recuperação de 15 a 60 ns.
Existem ainda diodos disponíveis para tensões acima de 1000 V que são considerados rápidos, pois têm tempos de recuperação da ordem de 100 ns.
Essas características exigem cuidados especiais com o circuito que está sendo alimentado, pois ele pode ser sensível ao fenômeno, ocorrendo instabilidades e até mesmo falhas de funcionamento.
Na indústria é definido o fator de suavidade de recuperação ou “recovery softness factor”. Se esse fator muito alto na recuperação inversa, podem também ocorrer problemas. Um diodo retificador que tenha um fator de recuperação suave muito grande, pode gerar calor .
Por outro lado, para se evitar os problemas de uma recuperação abrupta, podem ser necessários circuitos snubbers.
O Experimento
Usando um osciloscópio (Série 2000X ou 3000X da Keysight) e uma fonte de sinais retangulares, montamos o circuito mostrado na figura 4.
Inicialmente usamos para D um diodo retificador comum, como um 1N4002.
Procedimento:
a) Ajustamos o gerador de função para produzir um sinal de uns 10 Vpp retangular. No circuito T é uma ponta de prova atenuadora que permita trabalhar com as tensões encontradas no circuito.
b) A entrada do osciloscópio é a do eixo Y que permite visualizar a forma de onda gerada.
c) O ajuste da entrada é para sinais DC e na posição 1 temos o sinal normal do oscilador aplicado ao circuito.
d) Com a chave na posição 2 temos a visualização da recuperação do diodo o que pode ser visto na própria figura.
e) Numa segunda fase, para comparar os resultados, usamos um diodo de recuperação rápida.como o FR101 ou MUR420 ou outro.
Osciloscópios InfiniiVision da Série 3000X
Osciloscópios InfiniiVision da Série 2000X
