“Diodo” – Unidirecional, retificador,conversor!

Um diodo é um dispositivo que só permite o fluxo de corrente unidirecional se operado dentro de um nível de tensão especificado. 

Imagine que você está dirigindo por um bairro movimentada à procura da casa do seu amigo no centro da cidade. Você vê sua localização no mapa, mas as ruas reais têm sinais que só permitem que o tráfego flua em uma direção. O sinal de rua ” one way ”(Mão única).

O diodo é um componente eletrônico de dois terminais, que conduz corrente elétrica preferivelmente em um só sentido, bloqueando a sua passagem no sentido oposto. Cada diodo possui uma extremidade positiva, o ânodo e uma extremidade negativa, o cátodo. A corrente flui do ânodo para o cátodo, mas não o contrário.

Em vez do fluxo de tráfego, temos fluxo de corrente elétrica, ou seja, energia que flui de uma fonte, como uma bateria. Em um circuito fechado, essa energia flui através dos fios e retorna à fonte.

Diode_schematic_symbol
Símbolo esquemático do diodo

E, assim como a seta no sinal de rua, o símbolo do diodo possui uma seta para mostrar a direção permitida da corrente.

Seguindo a corrente elétrica

Muito parecido com o uso de um mapa de ruas, os profissionais da elétrica usam um esquema que mostra como os fios e os componentes estão conectados. A maior parte de nós, não imagina como é o esquema da ligação de uma lanterna ou um interruptor de luz em uma casa! Apenas por diversão, vamos  entender a “engenharia” de uma lanterna.

Uma lanterna tem 1 ou mais células (grupos de células são comumente chamados de bateria), um interruptor, alguns fios e uma lâmpada.Dessa forma, vamos desenhar um esquema para esta lanterna.

Esquema
A corrente (em laranja) deixa a bateria na extremidade + e flui através do circuito.

Nosso primeiro circuito possui uma bateria, alguns fios (as linhas verdes) e uma lâmpada. A corrente deixa a bateria no extremo ” + ” e flui através do circuito. Este é um circuito fechado porque existe um caminho contínuo da bateria através do fio, passa pela lâmpada e volta à bateria.

 

Schematic_symbol
Uma bateria invertida simplesmente alterna a direção da corrente

E se nós invertermos a bateria no circuito? A corrente flui para fora do positivo como antes. Ainda temos um circuito fechado. A lâmpada ainda acende.

 

Então, onde é que o diodo entra? Primeiro, conectamos o diodo à bateria e a lâmpada com o diodo apontando na mesma direção que o fluxo de corrente da bateria. O diodo funciona como um interruptor que pode ser ligado ou desligado.

A corrente circula através do diodo e o circuito está fechado. A lâmpada acende-se. Sem surpresas.

Esquema Diodo
Com um diodo apontando na mesma direção que a corrente, a corrente pode fluir

Como antes, no nosso próximo circuito, invertemos a bateria. Desta vez, temos um diodo no caminho.

Esquema Diodo
Com um diodo apontando na direção oposta à corrente, a corrente não pode fluir, então a lâmpada não liga.

A lâmpada não acende! A corrente quer deixar o fim positivo da bateria, mas não pode passar pelo “caminho” do diodo. Este é um circuito aberto . Nenhuma corrente elétrica passa pelo circuito e a lâmpada não acende. Isso pode impedir de  ligar o circuito, se acidentalmente colocarmos a bateria  no lado errado.

O diodo semicondutor é um dispositivo eletrônico feito de silício ou germânio que tem como função transformar corrente alternada em corrente contínua.

Como funcionam os diodos

O diodo é um componente eletrônico de dois terminais, que conduz corrente elétrica preferivelmente em um só sentido, bloqueando a sua passagem no sentido oposto.

Esse comportamento unidirecional é chamado retificação, sendo utilizado para converter corrente alternada em corrente contínua e extrair a informação de um sinal modulado em amplitude (AM).

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Diodos emissores de luz

Entretanto, o diodo pode ser empregado para outras finalidades além da retificação. Existem diodos de uso especial utilizados para regulação de tensão (diodos zener), sintonia eletrônica em receptores de rádio e TV (varicaps), geração de rádio frequência (diodos túnel) e produção de luz (leds).

Os diodos modernos são feitos de um cristal semicondutor, como o silício, ao qual são adicionadas impurezas, no intuito de criar uma região de portadores negativos (elétrons), chamada região “tipo-n”, e uma região de portadores positivos (lacunas), denominada região “tipo-p”. Os terminais do diodo são conectados a cada uma dessas regiões. No interior do cristal, a fronteira entre essas duas regiões é chamada de junção PN, sendo responsável pela característica unidirecional do componente.

Utilizando uma explicação bastante simplificada, pode-se dizer que quando o diodo é polarizado de forma direta, isto é, quando uma tensão positiva é aplicada ao terminal conectado à região tipo-p (anodo) e uma tensão negativa é aplicada ao outro terminal (catodo), a barreira criada pela junção PN diminui, permitindo a passagem da corrente elétrica. De forma contrária, quando o diodo é polarizado reversamente, a barreira aumenta, impedindo a passagem da corrente. A figura abaixo ilustra a explicação apresentada:

Impedir não seria o termo correto, contudo, o valor da corrente cai a níveis praticamente desprezíveis, desde que não se ultrapasse o valor da tensão de ruptura.

A tensão de ruptura é a tensão máxima a partir da qual um diodo polarizado reversamente passa a conduzir corrente elétrica. Tal situação não é desejada, exceto em casos específicos em que se utilizam diodos zener.

O gráfico abaixo ilustra a intensidade da corrente elétrica que atravessa um diodo nos diferentes tipos de polarização.

Observe que o valor é praticamente desprezível quando o componente está polarizado reversamente, enquanto a tensão for inferior à tensão de ruptura (VZ). Além disso, não basta que o diodo esteja polarizado diretamente, é preciso que a tensão seja superior a um determinado valor (V0), para que a corrente assuma valores expressivos. Tal valor corresponde à “tensão interna” do diodo e possui magnitude próxima a 0,7 V para diodos de silício.

Como escolher um diodo?

Como já foi dito, o diodo dissipa um pouco de calor, ou seja, saber a potência máxima que ele suporta é fundamental para a escolha do diodo adequado. A potência no diodo é calculada multiplicando a queda de tensão no diodo pela corrente que está passando por ele.

Para exemplificar isso, imagine que uma corrente de 500mA esteja passando por um diodo de silício. A queda de tensão típica neste diodo é de 0.7V, logo a potência dissipada será de 0,5A multiplicada por 0,7V, totalizando 0.35W ou 350 mW, assim como mostra a imagem abaixo:

A escolha do diodo correto depende de vários fatores, inclusive a queda de tensão!

Pode não parecer muito, mas é uma potência que pode fazer o diodo esquentar bem! Sendo assim, é muito importante saber qual é a corrente máxima que o diodo pode suportar. Esta informação está presente no manual ou no datasheet do diodo.

Posso usar 2 diodos em paralelo?

A resposta é não! A corrente não vai se dividir proporcionalmente entre os diodos como acontece com os resistores, ou seja, não adianta colocar dois diodos em paralelo para suportar mais corrente. O que vai acontecer se você fizer isto, é que um dos diodos vai ser mais rápido e conduzir a corrente primeiro, consequentemente irá receber mais corrente por causa disto.

Outra característica interessante que diferencia os diodos é a velocidade de chaveamento! Cada diodo demora um tempo para “fechar e abrir a válvula” que permite a corrente fluir. Sendo assim, é importante compreender que existem diodos para serem usados em baixa frequência como os que são ligados em pontes retificadoras na rede alternada, e também existem diodos mais rápidos para outras aplicações, que suportam frequências muito maiores.

O que é tensão reversa máxima do diodo?

Esta é uma das características mais importante dos diodos! Voltando a analogia da válvula de água utilizada no primeiro exemplo do artigo, a tensão reversa máxima seria como a máxima pressão que a válvula consegue suportar sem deixar a água vazar!

A melhor forma de aprender sobre diodos é pesquisar os datasheets de vários modelos e ver quais deles podem ser usados em cada aplicação. Analise bem, pois são dezenas de tipos e classificações de diodos. Além dos diodos de uso geral, os mais comuns são os LEDs, os diodos zener, os diodos de sinal, os diodos de potência, os foto diodos, o diodo laser, o varicap, etc. Veja a seguir!

Principais tipos de diodo:

Imagem: Google
Alguns modelos de Diodos.
  • Retificadores: São os diodos mais comuns, fabricados com o objetivo primordial de permitirem a passagem da corrente elétrica em um só sentido (polarização direta), cumprindo um papel indispensável na transformação de corrente alternada em corrente contínua. Possuem vários tamanhos e formatos, de acordo com a sua potência nominal.

  • Zener: São diodos fabricados para conduzir a corrente elétrica em sentido inverso

    Imagem relacionada
    Diodo Zener.

    (polarização inversa). Este efeito é chamado de “ruptura zener” e ocorre em um valor de tensão bastante preciso, permitindo que esse diodo seja utilizado com uma referência de tensão. São bastante empregados em circuitos reguladores de tensão em fontes de alimentação.

  • Varicaps: Todo diodo possui uma capacitância interna formada por suas duas regiões condutoras (tipo-p e tipo-n), as quais são separadas por uma região livre de cargas (região de depleção). A extensão dessa região de depleção depende da polarização do diodo: ela diminui quando o mesmo é polarizado diretamente e vice-versa. Com a variação das dimensões da região de depleção, varia-se a capacitância interna do diodo. Os varicaps são fabricados para aproveitarem essa característica, funcionando como capacitores variáveis, cuja capacitância é controlada pela tensão aplicada sobre o diodo. Tais componentes são bastante empregados em circuitos de sintonia de aparelhos televisores e de rádios, além de equipamentos transmissores.

  • Túnel: São dispositivos capazes de operar em altas frequências (micro-ondas), por meio de fenômenos de mecânica quântica (efeito de tunelamento). São fabricados utilizando junções PN estreitas e altamente dopadas. Podem ser utilizados em circuitos osciladores, amplificadores e conversores de frequência.

  • LEDs: São diodos semicondutores que, quando energizados, emitem luz. A luz não é monocromática (como em um laser), mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita, sendo produzida pelas interações energéticas dos elétrons. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte de energia elétrica é chamado eletroluminescência. No silício e no germânio, que são os elementos básicos dos diodos e transistores, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida. Já em outros materiais, como o arseneto de gálio (GaAs) ou o fosfeto de gálio (GaP), o número de fótons de luz emitidos é suficiente para constituir fontes de luz bastante eficientes.

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