Componentes Ativos – Diodo

Componentes Ativos – Diodo

O diodo é um componente semicondutor que controla o fluxo da corrente elétrica e é um dos componentes mais importantes para o mundo da eletrônica. Ele substitui as antigas válvulas e é fabricado com um cristal semicondutor de silício ou germânio, onde suas faces são dopadas com determinados materiais, dando ao mesmo esta propriedade.

O silício além de ser um dos elementos mais abundantes em nosso planeta, é o mais usado para fabricação de diodos, transistores, núcleo de processadores e vários outros componentes. Ele é o elemento número 14 da tabela periódica, tendo peso atômico 28 e consiste num metaloide tetravalente (4 elétrons na última camada da valência). Abaixo temos uma imagem atômica deste elemento:

Dopado com impurezas, criamos um semicondutor extrínseco.  O objetivo desse processo é aumentar a condutibilidade elétrica do semicondutor que antes era puro, ou seja intrínseco, e que possuía poucos pares de lacunas e elétrons livres. Com isso ele se torna um semicondutor do tipo P ou N, sendo que um semicondutor dopado com fósforo (P) ou arsênico (AS)  formam a dopagem do tipo P, onde há um elétron livre na estrutura. Um semicondutor dopado com Boro (B) ou Gálio (Ga)  formam a dopagem do tipo N, onde falta um elétron na estrutura.

O diodo é construído usando uma camada do tipo P e outra do tipo N. Seu símbolo pode ser visto  na imagem abaixo:

img_003_componentes_ativos_diodo_led_emissor_luz_regulador_de_tensao_zener

Quando o diodo está sem conexão à fonte, alguns elétrons livres da barra N saltam para as lacunas próximas da junção na barra P. Quando isto acontece, este elétron que atravessou a junção deixa o espaço equivalente a uma lacuna da barra N. Logo, podemos dizer que alguns elétrons saltam para a barra P e a mesma quantidade de lacunas aparece na barra N. Esta recombinação das cargas próximo à junção (dos dois lados), provoca o aparecimento de uma região pobre em portadores de carga. Esta região é chamada de zona de depleção. Como não tem portadores de carga, é uma região com dificuldade de condução de corrente. Outro efeito que ocorre com esta “invasão” de elétrons e lacunas, é o aparecimento de uma pequena tensão chamada de tensão intrínseca da junção.

Quando polarizamos um diodo de forma direta e conectamos uma fonte com tensão inferior à tensão intrínseca da junção, a força sobre elétrons e lacunas não é suficiente para passar a corrente através da zona de depleção, logo, o diodo permanece sem conduzir corrente. Ele só começa a circular corrente quando a tensão da fonte começa a superar a tensão intrínseca.

Para diodos de silício esta tensão é da ordem de 0,7V e para diodos de germânio é de 0,3V. A tensão intrínseca de junção é uma característica ruim para os diodos, pois aparece como uma DDP em seus terminais e ao passar corrente pelo diodo ocorre uma dissipação de potência. Como exemplo, se uma corrente de 1A passar por um diodo de silício, vai ocorrer uma dissipação de 0,7W (P = 0,7V x 1A). Esta dissipação representa aquecimento desnecessário e perda de energia. Os fabricantes disponibilizam alguns diodos especiais que mesmo sendo de silício conseguem reduzir esta tensão intrínseca, podendo chegar a 0,15V. Estes diodos são chamados de diodos schottky.

A curva característica do diodo pode ser vista abaixo. Quando o diodo é polarizado inversamente, ou seja, a tensão é negativa, ele não conduz até chegar em seu limite (Disrupção no gráfico), onde ele entra em curto, danificando o componente e passa a conduzir toda a corrente.

Um uso comum dos diodos é em fontes de alimentação. Para entender melhor, veja o seguinte exemplo: a corrente fornecida pela concessionária de energia elétrica é alternada, ou seja, muda sua polaridade entre positivo e negativo com uma frequência de 60 Hz.

Porém, a maioria dos aparelhos eletrônicos que utilizamos funciona somente com corrente contínua, ou seja, somente uma polaridade. O diodo funciona como uma chave fechada para uma polaridade da tensão de entrada e como uma chave aberta para a polaridade oposta. Após passar pelo diodo, a tensão passa a ter apenas uma polaridade:

Veja que no gráfico acima a parte da onda senoidal referente a tensão negativa não aparece, somente a parte positiva pode ser identificada. Abaixo temos uma representação do circuito correspondente ao gráfico acima:

Desta forma, apenas a parte positiva da energia fornecida pela concessionária é utilizada, contudo, infelizmente isto diminui a potência pela metade. Ao utilizar uma ponte retificadora de diodo, é possível passar o lado negativo para o positivo e como resultado temos o uso de 100% da energia fornecida pela concessionária. A ponte retificadora é constituída de quatro diodos interligados conforme mostrado na imagem abaixo:

A forma da onda na carga desse circuito pode ser vista na imagem abaixo:

Diodo Zener

Se variarmos o nível da dopagem do diodo, podemos projetar diodos para operar na região reversa. O diodo com este tipo de característica é conhecido como zener. O diodo zener é comumente utilizado em circuitos reguladores de tensão e ao contrário do que ocorre com o diodo comum, o zener é fabricado justamente para trabalhar com polarização reversa. Desta forma, quando a tensão de ruptura do diodo zener é atingida, a mesma se torna praticamente constante independente do valor da corrente que passa pelo mesmo. Na imagem abaixo pode ser visto o símbolo do diodo zener, bem como o componente físico.

No desenvolvimento de um projeto utilizando o diodo zener, é necessário ficar atento a três parâmetros:

– Qual a sua tensão de regulagem;
– Qual a sua corrente mínima de operação;
– Qual a sua corrente máxima de operação;

A tensão de regulagem do diodo zener é aquela que permanecerá praticamente constante enquanto o componente estiver em operação. A corrente mínima é aquela que garante que o diodo zener esteja operando corretamente, ou seja, valores abaixo da corrente mínima fazem com que o componente não cumpra seu papel como regulador de tensão. A corrente máxima do diodo zener é o valor de corrente que não poderá ser ultrapassado, sob pena do componente ser danificado. Na imagem abaixo temos um exemplo de circuito de regulagem de tensão usando o diodo zener:

A tensão de alimentação do circuito é de 15V, o valor de R2 considere como sendo 100R e precisamos descobrir o valor de R1 para que o circuito funcione corretamente. O diodo zener D1 é o 1N4737, cuja tensão zener (tensão de regulagem – Vz) é de 7,5V e a corrente máxima de operação (Izmax) é de 121mA. Note que não é informado o valor da corrente mínima (Izmin) de trabalho do diodo zener. Quando nos deparamos com situações como esta, é comum considerarmos Izmin como sendo equivalente a 10% de Izmax. A tarefa neste exemplo é determinar o valor mínimo e máximo do resistor R1, de modo que o diodo zener regule a tensão aplicada ao resistor de carga R2. O valor do resistor R1 a ser encontrado deverá garantir que a corrente que circula pelo diodo zener seja superior a Izmin e inferior a Izmax. Note também que o diodo está polarizado reversamente.

Como Vz é igual a 7,5V sabemos que a tensão aplicada no resistor R2 também será de 7,5V, pois o mesmo está inserido no circuito paralelamente com o diodo zener. Desta forma, a corrente que circula sobre R2 é dada por:

IR2 = Vz / R2
IR2 = 7,5V / 100R
IR2 = 75mA

Pela Lei de Kirchhoff das correntes, temos que: a corrente que circula por R1 deve se dividir entre R2 e o diodo zener. Também sabemos que Izmax é igual a 121mA, logo, a corrente total do circuito (Itotal) permitida para que o diodo zener não seja danificado é igual a:

Itotal = Izmax + IR2
Itotal = 121mA + 75mA
Itotal = 196mA

Como a fonte de tensão do circuito é de 15V, dos quais 7,5V estão aplicados no zener, podemos afirmar pela Lei de Kirchhoff das tensões que: o valor da tensão aplicada no resistor R1 é de 7,5V. Desse modo, podemos encontrar o valor mínimo de R1 pela Lei de Ohm:

R1 = 22,5V / 196mA
R1 = 38,26 ohms (aproximadamente 38R)

O valor de Izmin é igual a 10% do valor de Izmax, pois o mesmo não foi apresentado. Logo, Izmin é igual 12,1mA. Como já sabemos o valor da corrente de R2, podemos encontrar o valor máximo que pode ser utilizado para o resistor R1 de tal forma que Izmin seja respeitado. Novamente utilizamos a Lei de Kirchhoff das correntes:

Itotal = Izmin + IR2
Itotal = 12,1mA + 75mA
Itotal = 87,1mA

Como sabemos o valor da tensão sobre o R1, agora podemos encontrar o valor de sua resistência pela Lei de Ohm:

R1 = 7,5V / 87,1mA
R1 = 86,10 ohms (aproximadamente 86R)

Ou seja, utilizando um resistor R1 com valor mínimo de 38R e máximo de 86R, garantimos que a corrente que circula pelo diodo zener esteja compreendida entre 12,1mA (Izmin) e 121mA (Izmax), fazendo com que o mesmo funcione corretamente regulando a tensão aplicada na carga R2 em 7,5V.

LED – Light Emitting Diode (Diodo emissor de luz)

O LED é fabricado com um material condutor chamado arseneto de alumínio e gálio (AlGaAs). Dopando este material com fósforo, o LED quando energizado pode emitir luz vermelha ou amarela, de acordo com a concentração do fósforo na dopagem, por exemplo. Falando de forma técnica, podemos dizer que o LED é um diodo semicondutor que quando energizado emite luz, contudo, não é uma luz como estamos acostumados, pois a luz emitida pelo mesmo, é estreita e é produzida pelas interações energéticas do elétron. Tal processo é chamado de eletroluminescência.

O LED é um dos tipos de diodo mais utilizados na eletrônica atual. Este componente está presente nas luzes indicadoras dos aparelhos eletrônicos, nas telas e monitores, lanternas, lâmpadas economica e etc.

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Formado como Técnico em Mecatrônica e Informática, e entusiasta da eletrônica.

Existe 1 comentário para esta postagem
  1. WILSON ASSIS DE CARVALHO às 15:29

    Boa tarde amigo.
    Gostei muito do seu material, mas acho que existe uma informação incorreta, que aliás causa muita duvida geralmente. Por favor me corrija se eu estiver errado, mas segue abaixo para conferência:
    *Com isso ele se torna um semicondutor do tipo P ou N, sendo que um semicondutor dopado com fósforo (P) ou arsênico (AS) formam a dopagem do tipo P, onde há um elétron livre na estrutura. Um semicondutor dopado com Boro (B) ou Gálio (Ga) formam a dopagem do tipo N, onde falta um elétron na estrutura.

    Atenciosamente

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