Diodos
Prof. Luiz Marcelo Chiesse da Silva
DIODOS
1.JUNÇÃO PN
Os cristais semicondutores, tanto do tipo “P” como do tipo “N”, não são bons condutores,
mas ao transferirmos energia a um destes tipos de cristal, uma pequena corrente elétrica
aparece. A finalidade prática não está na utilização dos cristais semicondutores tipo “P” e tipo
“N” isoladamente, mas na junção dos dois tipos de cristais.
P
N
junção
A junção dos dois tipos de cristais semicondutores, dopados adequadamente, cria um
tipo de dispositivo eletrônico com características elétricas bem diferentes das encontradas nos
componentes elétricos comuns (resistência, capacitor e indutor). Ao aplicarmos uma diferença
de potencial neste novo dispositivo, a corrente elétrica que atravessa a junção dos dois cristais
se comporta de maneira diferente quando inverte-se a polarização da tensão aplicada, como
mostrado nos dois circuitos abaixo.
P
N
N
I
I
-
P
+
V
+ V
Quando ligamos o pólo positivo da fonte de tensão ao cristal semicondutor tipo “N” e o
pólo negativo da fonte de tensão ao cristal semicondutor tipo “P”, o dispositivo à junção
praticamente não conduz eletricidade. Ao invertermos a polarização, ligando o pólo negativo da
fonte de tensão ao cristal semicondutor tipo “N” e o pólo positivo da fonte de tensão ao cristal
semicondutor tipo “P”, a condução de corrente elétrica tem proporções bem maiores em
relação ao caso anterior, e o dispositivo torna-se um condutor elétrico.
A razão para este tipo de comportamento está na região de união entre os dois cristais,
chamada de junção. Ao efetuamos esta união, ocorre uma difusão das cargas elétricas livres
em excesso no cristal tipo “N” (no caso os elétrons livres), tentando atravessar a junção para
ocupar uma lacuna no cristal tipo “P”, criando novas lacunas no cristal tipo “N”, em um
processo chamado recombinação, pois a lacuna é reocupada por um elétron. Cada
recombinação desta cria um íon, e os íons irão se acumular na região em torno da junção até o
ponto em que não permitirão mais a passagem dos elétrons do material tipo “N” para o material
tipo “P” criando-se uma barreira, chamada de barreira de potencial ou camada de depleção.
P
N
íons positivos
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íons negativos
camada de depleção (barreira de potencial)
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Ao polarizarmos o cristal tipo “N” com o pólo positivo e o cristal tipo “P” com o pólo
negativo de uma fonte de tensão, injetamos energia que aumenta a criação destes pares de
íons e aumenta esta barreira de potencial. Caso contrário, com a polarização do cristal tipo “P”
com o pólo positivo e o cristal tipo “N” com o pólo negativo da fonte de tensão; com energia
suficiente, os életrons adquirem energia suficiente para ultrapassar a barreira de potencial e se
locomoverem para o outro pólo da fonte de tensão, o mesmo ocorrendo com as lacunas.
De modo geral, ocorrerá a condução de corrente elétrica somente em uma polarização
deste novo dispositivo pela fonte de tensão, ou seja, a corrente circulará somente em um
sentido no circuito.
2.DIODO À JUNÇÃO
O dispositivo criado pela junção de dois cristais semicondutores do tipo “P” e “N” é
denominado de diodo à junção, diodo retificador ou somente diodo: o componente eletrônico
mais simples.
2.1.SIMBOLOGIA
O símbolo esquemático do diodo representa de modo simples a direção de condução da
corrente elétrica e os seus terminais. Normalmente é representado por uma seta que indica o
sentido inverso de movimentação dos elétrons, e um traço perpendicular que existe na
simbologia e no invólucro do próprio componente.
anodo
P
N
catodo
O terminal do diodo representado por um traço é chamado de catodo e o terminal oposto
de anodo. A condução de corrente elétrica (movimento dos elétrons) se dá somente do catodo
para o anodo.
2.2.CURVA VxI:
Um dos melhores meios para se analisar o comportamento de um componente elétrico é
a curva da tensão pela corrente elétrica. A curva da corrente versus a tensão aplicada a um
diodo é mostrada na figura abaixo:
I
Tensão de
ruptura
corrente de
fuga
diodo.
tensão de
joelho
V
Os pontos denominados definem os principais parâmetros de especificação de um
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2.3. FUNCIONAMENTO:
Além das características descritas sobre a junção P-N, vamos verificar alguns detalhes
no comportamento do diodo à junção com base no gráfico VxI. O exposto no gráfico mostra a
polarização do diodo na condução (valores positivos da tensão) que é chamada de polarização
direta e na não-condução (valores negativos da tensão) que é chamada de polarização
reversa. A grosso modo, podemos dizer que o diodo é um condutor na polarização direta e um
isolante na polarização reversa, porém, alguns detalhes devem ser levados em conta.
Na polarização direta, existe uma barreira de potencial na junção, e é necessário energia
para atravessá-la, que se reflete em uma queda de tensão quando o diodo está conduzindo.
Esta queda de tensão é denominada tensão de joelho, e é o valor de tensão necessário para
se ultrapassar a barreira de potencial e iniciar a condução de corrente no diodo. Na condução,
o diodo se comporta quase como um curto-circuito (condutor), mas na prática apresenta uma
pequena resistência elétrica, que pode ser vista como uma pequena inclinação na curva VxI.
Na polarização reversa, o diodo praticamente não conduz, somente uma corrente
elétrica superficial circula, de valor geralmente desprezível, devido à cargas elétricas e
impurezas entre a superfície do cristal com o meio. Mas para um valor de tensão muito alto, a
rigidez dielétrica do diodo pode ser ultrapassada, causando uma circulação instantânea de
corrente e a queima do diodo, pela dissipação excessiva de potência.
2.4.ESPECIFICAÇÕES:
Os diodos retificadores disponíveis no mercado são identificados por códigos, dados
pelos fabricantes. Cada código especifica uma série de valores para qual o diodo foi
construído, e os principais são:
• Potência máxima: especificação máxima de potência que o diodo pode suportar;
• Corrente máxima CC: poderemos ter a especificação da corrente máxima que o diodo
suporta quando polarizado diretamente ao invés da potência máxima, chamada de “cc”,
porque o diodo conduz somente em um sentido (corrente contínua);
• Tensão máxima: valor máximo de tensão direta que o diodo suporta quando polarizado
diretamente, e na prática é utilizado como o valor da tensão de joelho, porque são valores
próximos;
• Ir (corrente reversa): valor da corrente que circula quando o diodo é polarizado
reversamente, e na maioria dos circuitos é um valor desprezível.
• Vrm, Vbr, BV, PRV, PIV (tensão reversa máxima ou tensão de ruptura, “breakdown”): valor
máximo de tensão que o diodo suporta na polarização reversa.
• Vvalor da tensão de joelho);
• Rc (resistência de corpo): valor de resistência que o diodo apresenta na polarização direta,
geralmente de pequeno valor.
2.5.APROXIMAÇÕES:
Para cálculos em circuitos elétricos que envolvem diodos, podemos considerar alguns
dos valores acima ou despreza-los, desde que não haja interferência nos valores de tensão e
corrente que se deseja obter no circuito. Para isto, podemos considerar o diodo retificador
como um circuito equivalente à uma chave unidirecional, que é aberto na polarização reversa e
fechado na polarização direta, em série com outros componentes representativos dos valores
que devem ser considerados.
2.5.1.Diodo ideal:
O diodo ideal é o diodo sem perdas: sem queda de tensão interna (V), resistência de
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corpo e corrente reversa nulas, se comportando como uma chave unidirecional: quando a
corrente circula do catodo para o anodo é uma chave fechada e no sentido contrário, uma
chave aberta.
2.5.2. 1a aproximação:
Leva em conta a queda de tensão (tensão de joelho) do diodo: equivalente à uma chave
unidirecional com uma fonte de tensão (de valor igual a tensão de joelho) contrária à
polarização do diodo.
Vγ
2.5.3. 2a aproximação:
Considera a queda de tensão e a resistência de corpo do diodo:
Vγ
Rc
3.CIRCUITOS A DIODO
Os tipos de circuitos a seguir são construídos com diodos retificadores somente ou com
a combinação de diodos e outros componentes como resistências e capacitores. São os
principais tipos de circuitos a diodo utilizados na eletrotécnica ou em muitas áreas da
eletricidade em geral (eletrônica digital, telecomunicações, automação,.....).
3.1.RETIFICADORES
Os retificadores são circuitos que convertem a energia elétrica (tensão e corrente) da
forma alternada para contínua, ou em termos; a corrente na entrada de um circuito deste tipo
muda periodicamente de sentido de circulação e a saída resulta em uma corrente contínua (um
sentido de circulação), ocorrendo o mesmo com a polarização da tensão. São circuitos de
ampla utilização, pois a energia elétrica que chega às residências, lojas e indústrias é fornecida
na forma de corrente alternada, mas muitos equipamentos eletrônicos funcionam somente com
corrente contínua.
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3.1.1.Retificador de meia-onda
Considere o circuito abaixo, desprezando a queda de tensão no diodo e na resistência:
Rs
Vf
Vf
t
A forma de onda da tensão nos terminais da resistência será
Vs
t
A tensão gerada na polarização reversa do diodo é bloqueada.
3.1.2.Retificador de onda completa
O circuito mostrado abaixo é um tipo de retificador de onda completa, pois um dos
semiciclos da tensão não é perdido como no retificador de meia onda, ou seja, a totalidade da
tensão na entrada do circuito é retificada. Este circuito é montado com um transformador com
derivação central (center tap), o que não chega a ser uma desvantagem, porque a maioria dos
circuitos eletrônicos requer um valor de tensão menor em relação a tensão fornecida pela rede
elétrica.
A
Vf
V2
Rl
B
As tensões geradas nos pontos A e B em relação à derivação central são iguais mas
defasadas de 1800 elétricos: quando a tensão no ponto A está no valor de pico positivo a
tensão no ponto B está no valor de pico negativo, e vice-versa.
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V2/2
VA
t
VB
V2/2
t
Isto se deve ao fato de que o enrolamento do secundário do transformador, da
derivação para o ponto A e da derivação para o ponto B são iguais, mas dispostos em sentido
contrário, da derivação para cada ponto. A tensão vista pela carga R é metade da tensão do
enrolamento secundário do transformador (V2/2), porque a derivação divide o enrolamento em
duas partes. Como os dois diodos contam um semiciclo da tensão dos pontos A e B, a tensão
resultante na carga será a tensão de um dos semiciclos de A e B.
V2/2
Vl
t
3.1.3.Retificador em ponte
Este tipo de circuito também é um retificador de onda completa, mas não utiliza um
transformador para auxiliar a retificação e retifica integralmente os dois semiciclos da forma de
onda.
Vf
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Rl
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Vf
Vl
t
4.OUTROS TIPOS DE DIODO
4.1. O DIODO ZENER
Outro tipo importante de diodo, além do diodo retificador, é o diodo zener, chamado
também de diodo regulador de tensão, diodo de tensão constante ou diodo de ruptura. Sua
característica principal é a regulação de tensão: na polarização reversa, mantém a tensão nos
seus terminais constante, compensando a variação da tensão aplicada com a variação da
corrente. Este comportamento se deve ao fato de que o diodo zener é fabricado para funcionar
na região de ruptura, onde um diodo retificador não funciona.
4.1.1. Símbolo
Os símbolos esquemáticos abaixo representam um diodo zener, com a linha que
representa o catodo em um formato que se assemelha à letra “z”.
símbolo usual
símbolo alternativo
4.1.2. Curva VxI
Como o diodo retificador, o diodo zener não é um dispositivo linear, sendo importante a
análise do seu comportamento mediante a aplicação de diversos níveis de tensão.
I
Vz
V
Iz
Izm
Da figura acima:
Vz é a tensão zener específica do diodo;
Izm é a máxima corrente zener especificada pelo fabricante;
Iz é a corrente zener que circula no diodo
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4.1.3. Funcionamento
Do exposto no gráfico acima, podemos observar que o comportamento do diodo zener
se assemelha com o diodo retificador comum, diferenciando na polarização reversa. O diodo
retificador, na região reversa, não conduz até que se atinja a tensão reversa máxima,
ocorrendo a queima do diodo. O diodo zener, na região reversa, inicia a condução de corrente
a partir da tensão zener, que é especificada de acordo com o diodo. Para valores acima da
tensão zener, o diodo aumenta a corrente que passa através dele, mas mantém a tensão nos
seus terminais igual ao valor da tensão zener, ou seja, um valor constante de tensão que é
compensado pela corrente.
Assim, ao ligarmos uma carga em paralelo com o diodo zener na polarização reversa, a
tensão se mantém constante no valor da tensão zener do diodo, como demonstra o gráfico VxI.
Obs.: Para que o diodo zener mantenha a tensão nos seus terminais constante e igual à tensão
zener, é necessário que a tensão aplicada no diodo seja maior que a tensão zener. Na região
de polarização direta, o diodo zener se comporta como um diodo retificador.
4.1.4.Especificações
Seguem abaixo as principais especificações do diodo zener:
• Vz = tensão zener do diodo;
• Izm= máxima corrente zener especifica para o diodo;
• Pzm=Vz.Izm=potência especificada;
• Pz=Vz.Iz=potência dissipada num diodo zener para um valor de corrente;
• resistência zener=resistência apresentada pelo diodo zener na região reversa, na regulação
de tensão.
Desde que Pz seja menor que Pzm, o diodo zener funciona na região reversa sem se
danificar, sendo disponíveis em potências na faixa de ¼ W até mais de 50W. A resistência
zener produz uma pequena variação da tensão nos terminais do diodo, mas é geralmente de
valor pequeno, ou seja, o dido não mantém um valor exato em seus terminais com o aumento
da tensão aplicada (não é ideal).
As especificações para o funcionamento na região direta são semelhantes ao diodo
retificador.
4.1.5. Regulação de tensão
Como exposto anteriormente, o diodo zener para funcionar como regulador de tensão
deve ser polarizado reversamente com uma tensão aplicada em seus terminais maior que a
tensão zener. É sempre utilizada uma resistência em série com o diodo zener para limitação da
corrente, mas a resistência deve se limitar a um valor que mantenha a tensão no diodo acima
da tensão zener.
Vs
Rs
V1>Vz
Vf
I
No circuito acima, aplicando a Lei das Malhas:
Vf=V1+Vs
Vf=Vz+I.Rs
Rs=(Vf-Vz).I
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4.2.DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
O LED – light emitter diode (diodo emissor de luz) comporta-se como um diodo comum,
mas irradia energia em forma de luz quando polarizado diretamente. A maior parte da energia é
dissipada na forma luminosa, não de calor.
Utilizando-se elementos como o gálio, arsênio e fósforo para a dopagem podem ser
produzidos led’s de diversas cores, até o infravermelho. A queda de tensão é maior em
comparação com um diodo retificador, dependendo da cor que o led emite, com valores usuais
de 1,5V à 2,5V para correntes de 10mA à 50mA e o brilho (intensidade luminosa) varia com a
corrente. O led é utilizado no lugar das lâmpadas comuns, como as incandescentes, com as
sequintes vantagens:
• utiliza baixa tensão;
• possui maior vida útil;
• chaveamento mais rápido.
4.2.1. Símbolo
Um bom exemplo da ampla utilização dos led’s é o display de sete segmentos.
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