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:

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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