Diodos
Assim como os outros componentes apresentados, o diodo está presente em praticamente todos os projetos eletrônicos, sendo em seu modelo comum, zener, ou diodo emissor de luz, popularmente conhecidos como LEDs.
Em uma placa, o diodo comum pode ser encontrado com esse aspecto:
O que é um Diodo?
Um diodo é um componente produzido com materiais semicondutores, dessa forma, o mesmo pode agir como um condutor ou um isolante de acordo com o sentido da corrente que percorre o seu corpo. Entenderemos isso mais adiante.
O diodo é um componente extremamente útil e age comumente como um retificador de circuito. Em uma fonte de corrente alternada, há a oscilação entre as polaridades, o diodo por sua vez realiza a retificação bloqueando a passagem em um dos sentidos. Fazendo uma analogia, o diodo atua de forma semelhante a uma válvula de retenção hidráulica.
Como funciona um Diodo?
Um diodo é produzido com semicondutores, os semicondutores são materiais que agem como condutores ou isolantes.
Os semicondutores são elaborados com átomos de germânio ou silício, explicando brevemente os conceitos químicos: Átomos devem possuir 8 elétrons na camada de valência como forma de obter estabilidade química, para adquirir essa estabilidade esses átomos podem doar ou receber elétrons, ou seja, os elétrons não são tão ligados ao núcleo, categorizando esses materiais como condutores. Enquanto que em materiais isolantes os elétrons são fortemente ligados ao núcleo, dificultando a passagem de elétrons.
Em átomos como germânio e silício, temos 4 átomos na última camada, ou seja, é possível doar 4 elétrons ou receber 4 elétrons, então o que definirá se esses átomos receberão ou doarão elétrons. Quando um átomo doa elétrons, ele está carregado positivamente (há ausência de elétrons), quando um átomo recebe elétrons, ele é carregado negativamente (há excesso de elétrons).
Para polarização, são inseridas impurezas em um procedimento conhecido como processo de dopagem, isso definirá se o semicondutor doará ou cederá elétrons, se será eletricamente positivo ou negativo. Para a formação do diodo é criada uma pastilha positivamente carregada (P) e outra negativamente carregada (N).
Em seguida essas pastilhas passam por união através de um procedimento de aquecimento, criando então uma junção entre elas, em razão disso o diodo pode ser chamado de “diodo de junção PN".
Depois da junção entre os cristais P e N, ocorre a acomodação química entre eles na zona de junção, os átomos de P e N interagem entre si, criando átomos neutros, ou seja, sem carga. Essa área é nomeada região de depleção ou zona de depleção. Lembrando que não existem elétrons positivos, quando dizemos que um átomo está carregado positivamente, significa que ele está com ausência de elétrons, então quando há essa troca, na realidade os elétrons estão preenchendo essas lacunas, tornando esses átomos neutros.
Abaixo temos uma ilustração para representar a região.
Como consequência dessa região de depleção, o transporte dos elétrons para o cristal P é prejudicado, em razão disso uma queda de tensão é gerada na área, sendo de 0,3V para o diodo de germânio e 0,7V para o diodo de silício. Quando o diodo é alimentado, a tensão precisa ser superior para que essa barreira seja rompida.
Existem duas formas de utilizar o diodo comum, através da polarização direta e da polarização inversa.
Primeiramente temos que conhecer a simbologia do diodo, que em um circuito é identificado da seguinte forma:
Sendo que na peça, o diodo conta com uma faixa prateada indicando o negativo (catodo), como pode ser visto abaixo:
É dito que o diodo está em polarização direta quando o polo positivo (P) do diodo é conectado ao polo positivo da fonte. Com essa configuração, os elétrons livres no polo n do diodo são repelidos em direção ao polo positivo, enquanto as cargas positivas também são repelidas.
Em elétrica básica aprendemos que cargas iguais se repelem e cargas diferentes se atraem, ou seja, cargas positivas são atraídas por cargas negativas e vice-versa, enquanto cargas de polaridades iguais são repelidas, carga positiva repele positiva, e carga negativa repele negativa.
Dessa forma, a região de depleção é reduzida e ocorre a condução elétrica pelo diodo, o funcionamento pode ser descrito de forma simples com a seguinte ilustração:
Como pode ser visto, a região de depleção diminui gradativamente conforme as cargas exercem força contrária a ela, possibilitando a condução. Claro que a ilustração não é uma demonstração precisa do que acontece dentro de um diodo, mas facilita na compreensão do princípio químico.
Em contrapartida, quando o diodo é ligado com polarização inversa, com o polo positivo (P) ligado ao negativo da bateria, e o polo negativo (N) ligado ao positivo da bateria, o positivo é atraído pelo negativo e as cargas elétricas negativas são atraídas pelo positivo.
Nessa situação, a área de depleção é ampliada e não há condução elétrica, como pode ser visto nas imagens ilustrativas abaixo.
Com essa polarização o diodo age como isolante, não permitindo a passagem de corrente.
Esse é o funcionamento de um diodo em condições ideais, agindo como condutor ou isolante, como demonstrado graficamente:
Quando a polarização é reversa, a corrente que percorre o diodo (id) é nula, e quando o diodo é polarizado diretamente, a corrente (id) é máxima.
Mas em um diodo real, de silício, temos um gráfico semelhante a este:
Como pode ser visto graficamente, em um diodo real, mesmo quando polarizado diretamente a condução da corrente máxima se inicia apenas quando a tensão da fonte é acima de 0,7V (queda de tensão natural do diodo de silício), sendo que no caso da tensão acima 0,5V há uma pequena corrente sendo conduzida.
Na polarização reversa há uma pequena corrente de fuga que é desprezível, além de permitir a condução reversa quando é atingida a tensão de ruptura do diodo.
Qual é a função de um Diodo?
Entre as principais funções do diodo, podemos citar a ação de retificação em um circuito, como chaveamento e proteção contra corrente reversa.
É sabido que a maioria dos eletrônicos funciona apenas com tensão contínua, um bom retificador de onda produzido com diodos será capaz de fazer essa retificação necessária para o correto funcionamento dos eletrônicos. Além disso, há alguns modelos de diodos voltados para diversos tipos de aplicações. Alguns modelos disponíveis no mercado são:
Diodo Comum/ Diodo de Pequeno sinal/Diodo de junção PN: Esse é o modelo mais comum de diodo, é basicamente o diodo em sua forma tradicional produzido com uma junção P-N, impedindo a passagem de corrente em um dos sentidos.
Diodo emissor de Luz (LED): LED é a abreviação para Diodo Emissor de Luz (Light Emitting Diode), esse tipo de diodo emite luz quando polarizado diretamente, a cor do LED pode ser variada de acordo com a fabricação.
LED Infravermelho (LED IR): Esse LED emite um sinal Infravermelho reconhecido pelo LED receptor infravermelho, esse sinal é invisível a olho nu.
Diodo de Vácuo/ Válvula Termiônica: A tecnologia para funcionamento desse diodo consiste no princípio de emissão de elétrons no caso do aquecimento à vácuo de um elemento, sendo que os elétrons continuam sendo atraídos pelo elemento, não sendo possível se deslocar no sentido reverso.
Diodo Zener: O diodo zener se comporta como um diodo comum quando polarizado diretamente, no entanto, quando polarizado reversamente o diodo age como um regulador de tensão. Quando atingida a tensão de ruptura, essa é mantida desde que a corrente seja superior a corrente mínima e inferior a máxima tolerada.
Diodo de Corrente Constante: Como descrito pelo nome, o diodo desse tipo mantém a corrente constante independente da variação de tensão.
Foto-diodo: A função do foto-diodo é converter um sinal luminoso em um sinal elétrico, normalmente utilizado para medição de luz, sendo que a corrente gerada é diretamente proporcional a iluminação que incide.
Diodo de avalanche: O diodo de avalanche direciona a tensão excedente para o GND em um circuito, agindo como proteção.
Diodo de supressão de tensão (TVS): Esse modelo normalmente é utilizado como proteção contra descarga eletroestática, o funcionamento é semelhante ao do diodo zener. Quando submetido a um alto impacto de energia transitória, ele pode absorver a corrente de pico e a tensão rapidamente, protegendo o equipamento.
Diodo Schokley: Esse modelo é produzido com quatro camadas de semicondutores (PNPN), conduzindo apenas em uma direção quando a tensão definida pelo fabricante é ultrapassada, sendo que essa tensão é reduzida depois da condução.
Diodo Schottky: O diodo desse modelo é produzido com uma junção Metal-N, diferentemente do comum que é produzido com uma junção P-N, isso faz com que a queda de tensão entre os terminais do diodo seja inferior, além disso, a comutação ocorre mais rapidamente.
Varicap ou Varactor: O varicap é um diodo que conta com capacitância variável, sendo proporcional a tensão ao qual é submetido.
Diodo de contato pontual: O diodo do tipo contato pontual conta com um fio de metal de pequeno diâmetro em contato com o cristal semicondutor, estes apresentam baixa capacitância e maior resistência.
Laser diodo: Esse é o laser mais utilizado em tecnologias como leitores de códigos de barras, fibras óticas, leitores de DVD.
Diodo Gunn: Produzido com Arsenieto de Gálio-N, quando esse modelo de diodo é submetido a uma tensão, é produzido um campo elétrico responsável pela formação de pulsos.
Diodo túnel: O diodo túnel recebeu esse nome porque funciona através do efeito túnel, ou tunelamento quântico. Com isso, o componente apresenta a corrente direta inversamente proporcional a resistência elétrica.
Exemplo de uso de um Diodo
O diodo é utilizado em inúmeros aparelhos eletrônicos, com visto no tópico anterior, há muitos modelos e cada um apresenta uma configuração e uma finalidade distinta de acordo com o modo de operação. Os diodos estão presentes em vários momentos de nossas vidas, eles podem ser encontrados em televisões de LED, por exemplo, cada LED de uma televisão é um diodo emissor de luz em tamanho muito reduzido, além de computadores com telas de LED, placas eletrônicas, aparelhos de rádio. Outrossim, a sua função de retificação faz com que o mesmo seja usado em carregadores de bateria de celular, circuitos de proteção, placa de diodo para alternador, estabilizadores, entre outros.
Se aplicado em um circuito, o diodo pode aparecer da seguinte forma:
Nesse caso, se tivermos a intenção de descobrir a corrente desse circuito, precisamos aplicar a Lei de Ohm assim como fizermos no tutorial sobre resistores.
Temos que a corrente é igual a tensão sobre a resistência, no entanto, mencionamos que há uma queda de tensão no diodo, então para o cálculo devemos levar esse dado em consideração.
Se pensarmos que o diodo do caso é um diodo de silício (o mais utilizado), então temos que a queda de tensão no diodo é de 0,7V, o cálculo para descobrir a corrente no circuito será:
I = (Vin - VD) / R
I = (5 - 0.7) / 220
I = 4.3 / 220
I = 0,01954A ou ≅ 20mA
Em um circuito, os diodos também podem ser posicionados estrategicamente para uma configuração de retificação de onda completa, como pode ser visto abaixo:
Quando a tensão alternada está em um sentido, a condução ocorre apenas entre dois diodos, como visto:
E quando o sentido da fonte é alternado, a condução ocorre entre os outros dois diodos, dessa forma:
⇒ Dica: Um truque para ajudar na assimilação é pensar que o diodo é como uma seta que aponta o sentido em que a corrente flui.
Conclusão
Nesse tutorial aprendemos o que são os diodos, qual é o conceito por trás do funcionamento deles, vimos os tipos de diodos, em quais circuitos eles são utilizados e algumas aplicações. O conteúdo sobre diodos é extenso, principalmente quando pensamos na função de retificação, o artigo auxiliou no conhecimento básico do componente, se você se interessou pelo assunto, é recomendado que sejam feitas pesquisas mais profundas sobre, agora sem medo da complexidade do componente. Eu espero ter ajudado na compreensão básica, aguardo a sua presença no próximo tutorial!
Muito Obrigado pelo elogio.