Tudo Sobre Díodos
Um diodo é um dispositivo elétrico que permite que a corrente se mova através dele em uma direção com muito mais facilidade do que na outra. O tipo de diodo mais comum no projeto moderno de circuitos é o diodo semicondutor, embora existam outras tecnologias de diodos. Os díodos semicondutores são simbolizados em diagramas esquemáticos, como a figura abaixo. O termo “díodo” é normalmente reservado para dispositivos de pequeno sinal, I ≤ 1 A. O termo retificador é usado para dispositivos de potência, I > 1 A.
Símbolo esquemático do díodo semicondutor: As setas indicam a direção do fluxo de corrente.
Quando colocado em um circuito simples de bateria-lâmpada, o diodo permitirá ou impedirá a corrente através da lâmpada, dependendo da polaridade da tensão aplicada. (figura abaixo)
Operação do diodo: (a) Fluxo de corrente é permitido; o diodo é enviesado para frente. (b) O fluxo de corrente é proibido; o diodo é invertido enviesado.
Quando a polaridade da bateria é tal que a corrente é permitida a fluir através do diodo, diz-se que o diodo é enviesado para a frente. Inversamente, quando a bateria está “para trás” e o diodo bloqueia a corrente, diz-se que o diodo está polarizado para a frente. Um diodo pode ser pensado como um interruptor: “fechado” quando a corrente é polarizada para a frente e “aberto” quando a corrente é polarizada para trás.
A direcção do símbolo do díodo aponta para a direcção da corrente no fluxo convencional. Esta convenção é válida para todos os semicondutores que possuem “pontas de flecha” nos seus esquemas. O oposto é verdadeiro quando o fluxo de electrões é utilizado, onde a direcção da corrente é contra a “ponta da seta”.
Analogia da Válvula de Retenção Hidráulica
Comportamento do Diodo é análogo ao comportamento de um dispositivo hidráulico chamado válvula de retenção. Uma válvula de retenção permite o fluxo do fluido através dela em apenas um sentido como na figura abaixo.
Analogia da válvula de retenção hidráulica: (a) Vazão de corrente permitida. (b) Fluxo de corrente proibido.
Válvulas de retenção são essencialmente dispositivos operados por pressão: abrem e permitem o fluxo se a pressão através delas for da “polaridade” correta para abrir a porta (na analogia mostrada, maior pressão de fluido à direita do que à esquerda). Se a pressão for da “polaridade” oposta, a diferença de pressão através da válvula de retenção fechará e manterá a porta de modo que não ocorra nenhum fluxo.
Válvulas de retenção, os díodos são essencialmente dispositivos operados por “pressão” (operados por tensão). A diferença essencial entre a polaridade de avanço e a polaridade inversa é a polaridade da queda de tensão através do diodo. Vamos dar uma olhada mais de perto no circuito simples do díodo-bateria-lâmpada mostrado anteriormente, desta vez investigando quedas de tensão através dos vários componentes na figura abaixo.
Medições de tensão do circuito de diodo: (a) Enviesado para a frente. (b) Polarização inversa.
Configuração de Diodo Polarização para frente
Um díodo polarizado para a frente conduz a corrente e baixa uma pequena tensão através dele, deixando a maior parte da tensão da bateria cair através da lâmpada. Se a polaridade da bateria for invertida, o diodo torna-se polarizado para trás e cai toda a voltagem da bateria, não deixando nenhuma para a lâmpada. Se considerarmos o díodo como um interruptor auto-actuador (fechado no modo de polarização para a frente e aberto no modo de polarização inversa), este comportamento faz sentido. A diferença mais substancial é que o diodo cai muito mais tensão ao conduzir do que o interruptor mecânico médio (0,7 volts versus dezenas de milivolts).
Esta queda de tensão de polarização dianteira exibida pelo diodo é devida à ação da região de esgotamento formada pela junção P-N sob a influência de uma tensão aplicada. Se nenhuma tensão aplicada estiver sobre um diodo semicondutor, existe uma fina região de esgotamento em torno da região da junção P-N, impedindo o fluxo de corrente. (Figura abaixo (a)) A região de esgotamento é quase desprovida de portadores de carga disponíveis, e atua como isolante:
Representações de díodos: modelo de função PN, símbolo esquemático, parte física.
O símbolo esquemático do diodo é mostrado na figura acima (b) de forma que o anodo (extremidade apontando) corresponda ao semicondutor do tipo P em (a). A barra catódica, extremidade não pontiaguda, em (b) corresponde ao material do tipo N em (a). Observe também que a faixa do cátodo na parte física (c) corresponde ao cátodo no símbolo.
Configuração de Diodo de Polarização Inversa
Se uma tensão de polarização inversa for aplicada através da junção P-N, esta região de esgotamento se expande, resistindo ainda mais a qualquer corrente através dela. (Figura abaixo)
Região de depleção se expande com polarização reversa.
Tensão dianteira
Conversamente, se uma tensão de polarização dianteira for aplicada através da junção P-N, a região de depleção se torna mais fina. O diodo se torna menos resistivo à corrente através dele. Para que uma corrente sustentada passe através do diodo; no entanto, a região de esgotamento deve ser totalmente colapsada pela tensão aplicada. Isto requer uma certa tensão mínima a ser atingida, chamada tensão dianteira como ilustrada na figura abaixo.
O aumento do viés para frente de (a) para (b) diminui a espessura da região de depleção.
Para os diodos de silício, a tensão dianteira típica é de 0,7 volts, nominal. Para os diodos de germânio, a tensão de avanço é de apenas 0,3 volts. A constituição química da junção P-N que compreende o diodo é responsável pelo seu valor nominal de tensão nominal, razão pela qual os díodos de silício e germânio têm tensões de avanço tão diferentes. A queda de tensão dianteira permanece aproximadamente constante para uma ampla gama de correntes de díodos, o que significa que a queda de tensão dos díodos não é como a de uma resistência ou mesmo de um interruptor normal (fechado). Para a maioria das análises simplificadas de circuitos, a queda de tensão através de um diodo condutor pode ser considerada constante no valor nominal e não relacionada com a quantidade de corrente.
Equação do Díodo
Atualmente, a queda de tensão para a frente é mais complexa. Uma equação descreve a corrente exata através de um diodo, dada a queda de tensão através da junção, a temperatura da junção, e várias constantes físicas. É comumente conhecida como equação do diodo:
O termo kT/q descreve a tensão produzida dentro da junção P-N devido à ação da temperatura, e é chamada de tensão térmica, ou Vt da junção. À temperatura ambiente, isto é cerca de 26 milivolts. Sabendo disto, e assumindo um coeficiente de “não idealidade” de 1, podemos simplificar a equação do diodo e reescrevê-la como tal:
Não é necessário estar familiarizado com a “equação do diodo” para analisar circuitos de diodos simples. Basta entender que a queda de tensão através de um diodo condutor de corrente muda com a quantidade de corrente que passa por ele, mas que essa mudança é bastante pequena em uma ampla gama de correntes. É por isso que muitos livros didáticos simplesmente dizem que a queda de tensão através de um diodo semicondutor condutor permanece constante a 0,7 volts para o silício e 0,3 volts para o germânio.
No entanto, alguns circuitos intencionalmente fazem uso da relação corrente/voltagem exponencial inerente da junção P-N e, portanto, só podem ser entendidos no contexto desta equação. Além disso, como a temperatura é um fator na equação do diodo, uma junção P-N tendenciosa para frente também pode ser usada como um dispositivo sensor de temperatura e, portanto, só pode ser entendida se houver uma compreensão conceitual desta relação matemática.
Operação tendenciosa inversa
Um diodo tendencioso inverso impede que a corrente passe por ela, devido à região de esgotamento expandida. Na realidade, uma quantidade muito pequena de corrente pode e passa por um díodo com polarização inversa, chamada corrente de fuga, mas pode ser ignorada para a maioria das finalidades.
A capacidade de um díodo suportar tensões com polarização inversa é limitada, como é para qualquer isolador. Se a tensão de polarização inversa aplicada se tornar muito grande, o diodo experimentará uma condição conhecida como ruptura (figura abaixo), que normalmente é destrutiva.
A tensão máxima de polarização inversa de um diodo é conhecida como Tensão de Pico Inversa, ou PIV, e pode ser obtida do fabricante. Como a tensão de avanço, a classificação PIV de um diodo varia com a temperatura, exceto que a PIV aumenta com o aumento da temperatura e diminui conforme o diodo se torna mais frio – exatamente o oposto da tensão de avanço.
Curva de diodo: mostrando o joelho a 0,7 V de viés para a frente para Si, e de quebra inversa.
Tipicamente, a classificação PIV de um diodo genérico “retificador” é de pelo menos 50 volts à temperatura ambiente. Díodos com classificação PIV nos muitos milhares de volts estão disponíveis por preços modestos.
REVIEW:
- Um díodo é um componente eléctrico actuando como uma válvula unidireccional para corrente.
- Quando a tensão é aplicada através de um díodo de tal forma que o díodo permite corrente, diz-se que o díodo é tendencioso para a frente.
- Quando a tensão é aplicada através de um diodo de tal forma que o diodo proíbe corrente, diz-se que o diodo é polarizado inverso.
- A queda de tensão através de um diodo condutor, polarizado para frente, é chamada de tensão para frente. Forward voltage for a diode varies only slightly for changes in forward current and temperature, and is fixed by the chemical composition of the P-N junction.
- Silicon diodes have a forward voltage of approximately 0.7 volts.
- Germanium diodes have a forward voltage of approximately 0.3 volts.
- The maximum reverse-bias voltage that a diode can withstand without “breaking down” is called the Peak Inverse Voltage, or PIV rating.
RELATED WORKSHEETS:
- Rectigying Diodes Worksheet
- PN Junctions Worksheet