Características de um Díodo
O díodo é um componente electrónico fundamental que tem como característica mais importante, permitir que a corrente circule apenas num sentido.
Quando o díodo está polarizado directamente, conduz e permite circular a corrente.
 Polarizacão inversa A lâmpada não acende |  Polarização directa A lâmpada acende |
Barreira de Potencial
Para saber a polaridade do díodo, no díodo tem uma marca de uma flecha que indica a extremidade correspondente ao cátodo.
Utilização prática dos diversos Díodos:
Simbologia Díodos
O díodo - Características e aplicações
INTRODUÇÃO TEÓRICA
1.1 Principio de funcionamento - Características de um díodo
Um díodo é um dispositivo constituído por uma junção de dois materiais semicondutores (em geral silício ou germânio dopados), um do tipo n e o outro do tipo p, ou de um material semicondutor e de um metal, sendo usualmente representado pelo símbolo da Figura 1. Aos terminais A e K dão-se respectivamente os nomes de Ânodo e Cátodo.
Figura 1: Símbolo do díodo.
Este dispositivo permite a passagem de corrente, com facilidade, num sentido, e oferece uma grande resistência à sua passagem no sentido contrário.
Assim, quando o Ânodo (A) estiver a um potencial positivo em relação ao Cátodo (K), o díodo conduz e a corrente terá o sentido (convencional) indicado pela seta. Nestas condições diz-se que o díodo está directamente polarizado. Quando o Ânodo estiver a um potencial negativo em relação ao Cátodo, o díodo não conduz e a corrente, que teria o sentido contrário ao da seta, não é autorizada a passar. Nestas condições diz-se que o díodo está inversamente polarizado.
Figura 2: Característica I(V) de um díodo de silício. Note-se as escalas diferentes no 1º e 3º quadrantes.
A origem destas designações deve-se ao facto de este dispositivo ter um comportamento semelhante aos do díodos termoiónicos (válvula díodo), cujos terminais recebem estes nomes.
Na Figura 2 pode ver-se um gráfico típico da corrente no díodo em função da tensão nos seus terminais, que resulta do comportamento físico da junção p-n. A tensão e a corrente são consideradas positivas quando o dispositivo se encontra directamente polarizado. A variação da corrente do díodo semicondutor com a tensão aos seus terminais tem uma forma quase exponencial: em boa aproximação a corrente I é dada por:
Este comportamento pode ser aproximado, em certas aplicações, pelo de um díodo ideal ou por uma característica linearizada (ver Figura 3).
Figura 3: Curvas características e correspondentes modelos eléctricos do díodo. Da esquerda para a direita: díodo ideal; díodo com comportamento ideal mas com uma tensão limiar de condução; díodo com característica linearizada. (V D - tensão limiar de condução, RD - resistência de condução directa).
Polarização Diodo
Junção PN não polarizada
- Junção PN sem qualquer tensão aplicada;
- Formação de uma zona na junção dos materiais P e N, designada por região de deplexão ou região de carga espacial;
- Formação de uma barreira de potencial;
- Correntes de difusão de buracos(lacunas) da região P para a região N e de eletrões da região N região P.
Polarização no sentido directo
A tensão direta aplicada(VD) vai reduzir, ou mesmo eliminar, o campo elétrico na zona de carga espacial(zona de deplexão), a sua largura vai diminuir e a barreira de potencial desaparece facilitando/permitindo a passagem de corrente.
Polarização no sentido inverso
A tensão inversa aplicada (VR) vai reforçar o campo elétrico na zona de carga espacial(zona de deplexão), a sua largura vai aumentar criando uma barreira forte à passagem de corrente.
Efeito Zener - Efeito Avalanche
A tensão inversa aplicada às extremidades de uma junção PN não pode ser aumentada indefinidamente. Com efeito, o aumento da d.d.p.(diferença de potencial) no sentido inverso provoca uma aceleração dos portadores minoritários. A partir de uma certa tensão inversa os portadores secundários adquirem uma velocidade suficiente para arrancarem por choques electrões aos átomos. O fenómeno é cumulativo e provoca um rápido decréscimo da resistividade. Este efeito é utilizado em um tipo especial e díodos para regular a tensão diodo zener.
1.2 Tipos de díodos
Existem actualmente diferentes tipos de díodos que, apesar de apresentarem características eléctricas semelhantes, tem-nas adaptadas à execução de determinadas funções. O símbolo introduzido anteriormente (Figura 1) representa o díodo normalmente utilizado para rectificação (transformação de corrente bidireccional em corrente unidirecional) e processamento de sinal nela baseado. Pretende-se que a sua zona de avalanche esteja suficientemente afastada para nunca ser atingida, e que a sua corrente de fuga inversa seja desprezável.
Além destes, outros tipos de díodos utilizados usualmente são:
Díodo Zener
Funciona na zona de avalanche, e é utilizado como referência de tensão (a tensão varia pouco com a corrente nessa zona).
Varistor ou varicap
Todos os díodos apresentam uma capacidade que é variável com a tensão aplicada. Os varistores são díodos especialmente desenhados para se obter uma capacidade fortemente dependente da tensão. São usados em osciladores cuja frequência é controlada por tensão (VCO).
Fotodíodo
Quando a zona da junção recebe luz, geram-se pares de portadores de carga (electrão-vazio) que geram uma tensão ou uma corrente no dispositivo. Existe, assim, conversão opto-electrónica. Estes dispositivos são utilizados como detectores de luz, nas mais diversas aplicações.
LED
Para certos tipos de materiais semicondutores, quando é injectada uma corrente na junção do díodo, é gerada radiação electromagnética na zona do visível ou infravermelho próximo (conversão electro-óptica). Existem componentes em que vários LED estão dispostos sob a forma de traços ou pontos numa matriz, permitindo a apresentação de algarismos e letras (displays).
1.3 Determinação da característica (I, V) de um díodo
O díodo é um componente não-linear. Assim, o cálculo da corrente que atravessa um circuito com um díodo torna-se um pouco mais complicado que no caso de circuitos lineares. A título de exemplo, vamos determinar a corrente no circuito indicado na figura.
Se o díodo estiver bem dentro da zona de condução, a sua tensão é aproximadamente constante, neste caso ~0.65V (ver na secção 1.1 as características aproximadas de um díodo). Assim, podemos substituir o díodo, nos cálculos, por uma fonte de tensão de 0,7 V (VD=0,7 V), e tratar o circuito como um circuito linear, obtendo-se a equação:
Este processo simplificado, útil em muitas situações, não pode ser utilizado quando se pretenda um rigor mais elevado, ou quando o díodo não esteja em condução franca. Para estas situação, dispõe-se de duas equações: a que define a característica do díodo (equação (1)) e a que resulta das equações de Kirchoff:
Estas duas equações permitem-nos determinar o ponto de funcionamento. A solução é laboriosa em virtude de envolver uma equação transcendente (pressupõe-se o conhecimento da equação V(I) para o díodo em consideração):
2º membro: recta de carga I = Idíodo = 5/100 - VD/100
A solução corresponde ao ponto de intersecção das duas linhas (em que I=I Díodo e V=V díodo), obtendo-se I = 44 mA.
1.4 Aplicações dos díodos: o díodo como rectificador
Consideremos o circuito da Figura 4, ao qual é aplicada uma tensão sinusoidal v i; queremos determinar a tensão de saída v o
Figura 4: Circuito rectificador de meia onda.
Para simplificar, vamos supor que se trata de um díodo ideal, isto é, durante as arcadas positivas da sinusóide é um interruptor fechado, e um interruptor aberto durante as arcadas negativas, Figura 5
Figura 5: Fases da rectificação de meia onda.
Somando, obtemos:
Figura 6: Resultado da rectificação de meia-onda.
Esta é a chamada rectificação de meia-onda, na qual há supressão de uma alternância e aproveitamento da outra.
E não será possível aproveitar as duas? É, utilizando por exemplo os circuitos das Figura 7, o qual é costume designar por rectificador de onda completa.
É fácil verificar que numa alternância conduz um par de díodos (colocados em posições diametralmente opostas do losango) e na outra o segundo par, de modo que a corrente através da resistência tem sempre o mesmo sentido; a tensão de saída tem pois a forma indicada.
Figura 7: Rectificação de onda completa.
No caso da Figura 7, a entrada pode ser por transformador, ou directamente da rede. Existem pontes que contêm já os quatro díodos ligados. Se a fonte de tensão alternada tiver um terminal à massa, a carga, RL, ficará flutuante; caso contrário, isto é, se a fonte de tensão alternada estiver flutuante, podemos ligar qualquer dos terminais de RL à massa. É sempre necessário ter o
cuidado de ver em que caso se está para evitar curto-circuitos. Está dado o primeiro passo para obter, a partir de uma tensão alternada, uma tensão contínua, elemento essencial nas fontes de alimentação dos circuito electrónicos.
1.5 Circuito detector de Pico -Filtragem
Este é um circuito bastante utilizado em diversas aplicações, que vão da rectificação de sinais alternados à descodificação de um sinal de rádio AM (amplitude modulada). Apliquemos uma tensão sinusoidal ao seguinte circuito:
Figura 8
Quando se liga o circuito, começando vi em zero, a tensão vc irá acompanhar a tensão de entrada porque, sendo a díodo ideal, logo que vi = 0 o díodo conduz passando a funcionar como curtocircuito. Quando vi atinge o máximo (Vp) e começa a descer, se a constante de tempo t=RC for grande relativamente ao período do sinal de entrada, então a tensão vc vai tender a manter-se enquanto vi baixa e, consequentemente o díodo entra em corte (pois vc = vi ). A partir deste momento o condensador descarrega sobre a resistência segundo uma exponencial. Enquanto a tensão vc decresce, a tensão de entrada vai evoluir, descendo até ao seu valor mínimo e depois subindo, até que acontece um instante em vi iguala o valor de vc e continua a subir. A partir desse instante vi > vc, o díodo começa a conduzir e vc acompanha de novo vi , repetindo-se este processo daí em diante, enquanto subsistir vi . Teremos assim o seguinte gráfico das tensões do circuito:
Figura 9
Ao fenómeno de oscilação da tensão de saída chama-se Ripple (ou ondulação residual) e ao valor dessa oscilação chama-se tensão de Ripple (vr). No caso da tensão de entrada apresentada na Figura 9, a tensão de Ripple dá-nos uma ideia da maior ou menor aproximação da tensão de saída a uma tensão contínua.
Como é óbvio, o valor v r, depende só da relação entre o tempo de descarga do condensador (a constante de tempo do circuito de descarga é RC), e o período do sinal de entrada. Para um período constante do sinal de entrada, quanto maior for a constante de tempo t=RC , menor será vr já que mais próximo de Vp estará v'.
1.6 Diodos de comutação
- Tensão inversa - 15 a 150V;
- Corrente direta - 20 a 750 mA;
- Corrente de fuga (diodos de ponta)- 10 a 500µA;
- Corrente de fuga (diodos de junção)- alguns nanoampares a 50 µA.
A fig. 10 mostra um dos casos mais frequentemente utilizados. Com o contato fechado, o diodo está polarizado no sentido inverso, bloqueando por conseguinte a passagem de corrente. Quando o contacto abre, a extra corrente de ruptura polariza o diodo no sentido directo, estabelecendo-se uma corrente de circulação.
Parâmetros Díodos
- Capacitância típica da junção (CJ - Typical Junction Capacitance): na polarização inversa, a região de depleção atua como um isolante, formando um pequeno capacitor. Isso pode ter influência significativa em freqüências mais altas.
- Corrente direta de pico máxima (IFSM - Maximum Peak Forward Current): limitada pela dissipação térmica do diodo.
- Corrente direta média máxima ( IF(AV) - Maximum Average Forward Current): é limitada basicamente pelas características de dissipação térmica do componente (tamanho, etc).
- Corrente inversa máxima (IRM - Maximum Reverse Current): a corrente inversa se aplicada a tensão inversa contínua máxima (VR). Seria nula em um diodo ideal. Nos dispositivos práticos, é bastante pequena em relação à corrente direta. É desprezível na maioria dos casos.
- Faixa de temperatura de armazenagem (TSTG - Storage Temperature Range): em vários casos, a temperatura máxima de armazenagem é igual à máxima de operação.
- Potência dissipada (PD - Power Dissipation): a máxima potência dissipada pelo diodo.
- Resistência térmica (Thermal Resistance): dada para junção-ambiente (RJA) ou junção-condutores (RJL). Indica a oposição que o conjunto oferece à dissipação do calor gerado na junção. Seria nula em um dispositivo ideal.
- Temperatura de operação da junção (TJ - Operating Junction Temperature): a máxima temperatura de trabalho do diodo. Diodos de alta potência em geral usam dissipadores para manter a temperatura abaixo da máxima especificada.
- Tempo de recuperação inverso (trr - Reverse Recovery Time): o tempo decorrido para o diodo deixar de conduzir, após a mudança de polarização de direta para inversa. Seria nulo para um diodo ideal. Diodos comuns apresentam tempos na faixa de microssegundos e diodos rápidos (para freqüências mais altas), na faixa de nanossegundos.
- Tensão direta (VF - Forward Voltage): a queda de tensão, em geral especificada para a corrente nominal. Seria zero em um diodo ideal.
- Tensão inversa de pico (PIV - Peak Inverse Voltage): no gráfico da Figura 1.4 podemos notar que a tensão inversa é limitada por um máximo absoluto, acima do qual há ruptura e destruição da junção. O fabricante especifica um valor máximo seguro, para operação sem ocorrência da ruptura.
- Tensão inversa contínua máxima (VR ou VDC - Maximum DC Reverse Voltage): a máxima tensão contínua de operação. Seria infinita para um diodo ideal.
- Tensão inversa repetitiva máxima (VRRM - Maximum Repetitive Reverse Voltage): a tensão inversa máxima de operação em forma de pulsos repetidos. Seria infinita para um diodo ideal.
