Díodo

O diodo convencional é composto por dois blocos de material semicondutor um do tipo N outro do tipo P.
A sua sua representação esquemática é a seguinte:
Diodo junção NP

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.

Se está polarizado inversamente não permite circular corrente.
Diodo polarizado inversamente
Polarizacão inversa
A lâmpada não acende
Diodo Polarizado Directamente
Polarização directa
A lâmpada acende

Podemos comparar um díodo a uma válvula hidráulica que possibilite passar a água num sentido e impedindo no sentido contrário.
analogia Polarização Directa

Barreira de Potencial

A região próxima da superfície de separação torna-se deficiente de lacunas do lado P da junção, e deficiente de electrões do lado N. O resultado final é uma acumulação de cargas positivas do lado N da junção,e de cargas negativas do lado P. Estas cargas são constituídas por iões positivos e negativos. Quando o dipolo formado por estas duas cargas atinge alguns décimos de volt., os electrões do lado N não conseguem passar para o lado P por serem repelidos pela barreira de iões negativos. Do mesmo modo as lacunas do lado P não conseguem passar para o lado N por serem repelidas pelos iões positivos. A barreira que ocupa o espaço contíguo junção e se opõe aos deslocamentos das cargas de um e para o outro lado da junção é designada por barreira de potencial, a zona onde surge esta barreira denomina-se zona de depleção.

Barreira de potencial diodo

Para saber a polaridade do díodo, no díodo tem uma marca de uma flecha que indica a extremidade correspondente ao cátodo.

Simbolo Diodo

 Utilização prática dos diversos Díodos:

Retificação

Simbologia Díodos 

Designação
Simbolo
Designação
Simbolo
Simbolo Diodo Schottky
Diodo com característica dependente da temperatura
Simbolo díodo dependente da temperatura

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.

simbolo díodo

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.

curva caracteristica do diodo

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:

corrente diodo

onde q é a carga do electrão,(≈ 1,6 10-19 C) V a tensão aos terminais do díodo, k a constante de Boltzman (≈ 1,38 10-23 J /K), T a temperatura absoluta e Is uma constante designada por corrente de saturação. À temperatura ambiente (300 K) tem-se:
corrente-saturacao-diodo (2K)

Este comportamento pode ser aproximado, em certas aplicações, pelo de um díodo ideal ou por uma característica linearizada (ver Figura 3).

modelo electrico comparativo diodos

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

polarizacao diodo

Polarização no sentido directo

Consideremos a aplicação de uma diferença de potencial às extremidades do conjunto PN, de modo que o lado P da junção fique ligado ao polo positivo, e o lado N ao polo negativo. O estabelecimento deste campo eléctrico tende a diminuir o efeito da barreira de potencial ou até a anulá-la. Do lado N o polo negativo da fonte repele os electrões de N para P com uma força maior do que a exercida pela barreira de potencial que os mantinha em N. Do mesmo modo as lacunas deslocam- se mais facilmente de P para N: a junção torna-se passante.

Um miliamperímetro instalado no circuito indicará uma corrente de P para N (sentido convencional).

Para tornar a junção passante é preciso anular a barreira de potencial. É por conseguinte necessário aplicar aos terminais da junção, uma tensão suficiente para chegar a este resultado. Algumas junções de germânio necessitam de um mínimo de 0,1 ou 0,2 Volt para se tornarem passantes. As junções de silício só se tornam passantes a partir de 0,6V.

Polarização no sentido inverso

Liguemos agora o terminal positivo da fonte exterior à extremidade N do conjunto PN. Este sentido de ligação reforça a barreira de potencial.Os electrões livres da região N e as lacunas da região P, isto é, os portadores principais, passam a ter ainda maior dificuldade em atravessar a junção. Diz-se então que a junção está bloqueada.

No entanto, alguns portadores minoritários conseguem passar através da junção. Uma vez passada a junção o seu movimento é facilitado, por um lado pelas cargas principais que constituem a barreira de potencial, e por outro, pelos potenciais aplicados nas extremidades. A corrente devida aos portadores minoritários pode ser evidenciada através de um microamperimetro, intercalado no circuito exterior. A corrente, de sentido convencional, passa de N para P.

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

diodo 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

diodo 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

fotodiodo

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

diodo 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.

curva de caracteristicas do diodo

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:

formula de calculo das caracteristicas

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:

equação calculo aplicada ao funcionamento díodo

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):

calculo-diodo (2K)

No entanto, a solução pode achar-se facilmente Esta última equação pode ser resolvida de forma gráfica se dispusermos da curva característica do díodo:
1º membro: curva característica Idíodo (V), não linear

2º membro: recta de carga I = Idíodo = 5/100 - VD/100

Gráfico cálculo Díodo

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

díodo rectificador de meia onda

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

fases rectificação meia onda

Figura 5: Fases da rectificação de meia onda.

Somando, obtemos:

resultados da rectificação

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.

rectificação onda completa

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:

circuito detector de pico

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:

ondulação resídual ou Ripple

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

Comutar significa fechar ou abrir circuitos, tal como se faria manualmente com comutadores. Polarizando os diodos no sentido directo ou inverso, podem-se realizar facilmente um grande numero de comutações;

Estes diodos são caracterizados pelo seu reduzido tempo de recuperação. o tempo de recuperação, que vai de 2 ms nos diodos mais lentos a menos de 10 µs nos diodos mais rápidos, é o tempo necessário para que se dê a recombinação dos portadores. O tempo necessário para que se inicie a condução de um diodo é essencialmente dependente da capacidade apresentada pela barreira de potencial nos diodos de ponta esta capacidade é bastante inferior à dos diodos de junção.

Características gerais dos 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.

diodo comutação
Figura 10

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

Na prática os díodos têm diversos parâmetros, geralmente fornecidos pelos dos fabricantes.
Alguns parâmetros são ou estão dependentes de outros, especialmente a temperatura. Por isso, os fabricantes costumam informar as condições de cada valor ou fornecem gráficos.

  • 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.