Diodos: o que são, como funcionam e pra que servem!

Se você é interessado por eletrônica, com certeza já ouviu falar de diodos, transistores e como eles são importantes para fazer os aparelhos eletrônicos de hoje. Sim, os dispositivos semicondutores são elementos cruciais no desenvolvimento de circuitos. Portanto, alguém que vá trabalhar no ramo de eletrônica deve dominar bem o seu funcionamento e saber como usar cada dispositivo direito.

Neste artigo, vamos falar sobre o diodo. Ele é o dispositivo semicondutor mais simples que existe, mas também é aquele que se você dominar bem, vai ajudar demais a entender os outros. Contudo, você deve imaginar que estudar componentes eletrônicos deve ser algo muito difícil e complicado…bem, pode até ser. Mas, neste artigo, vamos deixar a complicação de lado e falar sobre diodo de um jeito que qualquer um pode entender.

Que é um diodo?

Antes de mais nada, vamos começar do básico: o que é um dispositivo semicondutor? Os dispositivos semicondutores são componentes construídos a partir de materiais semicondutores, como o Silício e Germânio, que buscam controlar o fluxo de elétrons em um circuito. Agora, e quanto ao diodo? O diodo, por sua vez, é o dispositivo semicondutor mais simples que existe.

O diodo é um dispositivo semicondutor de dois terminais, sendo o eletrodo positivo chamado de Anodo (A) e o negativo, de Catodo (K). Os eletrodos são feitos de cristais de silício, na maioria das vezes, sendo que impurezas (alguns átomos de Boro ou Fósforo) são utilizadas para dar mais carga positiva ao anodo (Tipo P) e carga negativa ao catodo (Tipo N). Assim, a interação das cargas dos dois cristais de silício (tipo P e tipo N) vai criar um campo elétrico interno. Esse campo, também chamado de Barreira de Potencial, fica na junção dos dois cristais, a junção PN, e impede a troca de carga entre os eletrodos do diodo. Todavia, dependendo do jeito que o diodo é ligado no circuito, ele pode acabar funcionando como uma chave! Vamos entender isso logo, logo!!

Representação de um diodo

A Fig. 1 mostra o símbolo elétrico de um diodo comum. Podemos ver que ele é uma seta com uma barra no catodo, a qual representa a barreira de potencial. Porém, existem pequenas variações deste símbolo, que vamos discutir mais à frente.

Os diodos reais, por outro lado, podem ser encontrados em diversos encapsulamentos, como mostra a Fig. 2. Em alguns desses encapsulamentos, existe uma marca em um dos terminais, que indica qual é o catodo. Assim, fica fácil saber qual a pinagem do componente. Entretanto, naqueles encapsulamentos que não tem essa marca, é bom dar uma conferida no datasheet, para não ligar nada errado.

Como os diodos funcionam?

Uma vez que o diodo possui apenas dois terminais, podemos ligá-lo nos nossos circuitos de duas maneiras:

1. Polarização direta – Que acontece quando aplicamos uma tensão positiva entre Anodo e Catodo (VAK>0);
2. Polarização Reversa – Que acontece quando aplicamos uma tensão negativa entre Anodo e Catodo (VAK<0);

Polarização direta de um diodo

Primeiramente, vamos entender como a polarização direta do diodo funciona. Como já mencionamos, esta condição acontece quando a tensão VAK é positiva, ou seja, quando o terminal do Anodo é mais positivo do que o de Catodo. Além disso, já comentamos que na construção do diodo aparece uma barreira de potencial (uma campo elétrico), não é? Mas não falamos para que lado este campo elétrico está apontando, vamos começar por aí.

A Fig. 4 mostra um diagrama do diodo com a barreira de potencial. Como a barreira de potencial aponta do material N para o P, ela vai sempre tentar forçar as cargas positivas a permanecerem no anodo e as negativas no catodo. Se, por um acaso aparecer uma carga na junção dos materiais (e isso acontece), a barreira vai expulsar esta carga da junção, jogando-a na Anodo (se ela for positiva), ou no Catodo (se o contrário). Agora, a tensão externa (VAK) também produz um campo elétrico sobre a junção PN, mas no sentido contrário da barreira de potencial. Assim, dependendo do valor da tensão aplicada, o comportamento do diodo vai mudar.

Característica IV do diodo na Polarização direta

Para entender o comportamento do diodo em polarização direta, vamos raciocinar o que acontece quando a tensão VAK varia de valor:

• Primeiramente, vamos assumir que VAK está entre zero e a tensão da barreira de potencial (essa tensão varia de componente para componente, mas está por volta de 0,7V). Neste caso, a soma dos campos elétricos na junção PN vai ainda apontar para o mesmo sentido da barreira, ou seja, vai dificultar a troca de cargas entre os materiais e praticamente não vai haver corrente circulando no diodo;
• Agora, quando VAK se torna igual à tensão da barreira, a soma dos campos na junção será zero. Assim, as cargas do Anodo podem ir para o Catodo e vice-versa. Contudo, toda vez que uma carga deixa o seu material de origem, a fonte externa vai repor aquela carga e veremos isso como uma pequena corrente elétrica nos terminais do diodo;
• Se, por outro lado, VAK se tornar maior do que a tensão da barreira, as cargas próximas à junção vão ser aceleradas para o material oposto, fazendo com que a corrente nos terminais do diodo aumente. E quanto maior VAK, maior será a corrente!

Podemos resumir esse raciocínio numa curva IV, ou seja, num gráfico que relacione a tensão VAK e a corrente no diodo, ilustrada pela Fig. 5. É interessante observar que, depois de atingir a tensão de barreira (0,7V), a corrente do diodo aumenta muito, com um pequeno aumento da tensão VAK. Na verdade, a relação I x V é uma função exponencial!

Polarização Reversa de um diodo

Agora que já entendemos como o diodo funciona na polarização direta, podemos discutir a polarização reversa. Nela, a tensão VAK é negativa, ou seja, o Catodo é mais positivo do que o Anodo. Lembrando do diagrama da Fig. 4, o campo elétrico produzido pela tensão externa, agora, estará no mesmo sentido da barreira de potencial. Assim, a tensão externa atua para aumentar a barreira de potencial, dificultando ainda mais a troca de carga entre o anodo e o catodo. Na prática, não há corrente no diodo (na verdade tem uma pequena corrente de fuga, mas ela é muuiiito pequena, na ordem de pA ou nA).

O problema da avalanche

Na polarização reversa, existe um valor de tensão VAK que faz com que o diodo conduza corrente. O mecanismo que faz com que essa corrente aconteça, mesmo com uma barreira de potencial muito grande, tem a ver com aquela pequena corrente de fuga que mencionamos, mas não vale a pena detalhar neste artigo, já que queremos manter as coisas simples! Essa condução em polarização reversa é chamada de Avalanche, Ruptura, ou (do inglês) Breakdown. Ao contrário da condução em polarização direta, a avalanche é um grande problema, pois, ela acontece quando a tensão VAK reversa é muito grande (na ordem de centenas ou milhares de volts). Assim, quando o diodo conduz ele dissipa muita potência (lembre-se que P = V*I) e ele acaba queimando! Em resumo, na maioria das vezes projetamos nossos circuitos para que o diodo nunca chega perto da tensão de Breakdown!

No Canal Eletrônica Geral, produzimos uma aula abordando um pouco mais sobre o funcionamento de diodos, dando foco no que é essencial para entender esse componente. Se você quiser se aprofundar um pouco mais no funcionamento do diodo, além de ler o post até o final, dá uma conferida na aula:

Os diodos são chaves? Como usá-los em circuitos?

Bom, agora que entendemos o funcionamento do diodo em polarização direta e reversa, podemos afirmar que ele é um dispositivo que conduz só para um sentido (uma vez que a avalanche é evitada!). Até por isso, o símbolo elétrico do diodo é uma seta apontando de anodo para catodo (que é o sentido de condução dele). Por fim, podemos dizer que o diodo é uma chave eletrônica controlada por tensão, ou seja, quando a tensão VAK > 0,7V, a chave se fecha e conduz corrente. Já, quando VAK < 0,7V, a chave se abre e nenhuma corrente (ou quase nenhuma) passa pelo circuito.

Uma dúvida que pode surgir é como usar o diodo em um circuito, uma vez que o seu comportamento é bem não-linear e não se iguala a nada que aprendemos nas disciplinas de circuitos. Bem, na prática, trabalhamos com um modelo simplificado que vai usar elementos de circuitos para representar o comportamento do dispositivo. Como quando o diodo conduz a tensão VAK varia muito pouco, para uma grande variação de corrente, assumimos que a tensão VAK do diodo fica praticamente constante em 0,7V (ou na tensão de barreira do diodo específico). Por outro lado, quando a tensão no diodo é menor do que a tensão de barreira, assumimos que ele é uma chave aberta, assim, o modelo do diodo é igual ao mostrado na Fig. 7.

Exemplo – Retificador

Agora que compreendemos como o diodo é modelado, vamos fazer um exemplo bem simples de uso. A Fig. 8 mostra um circuito retificador (o nome todo é retificador monofásico de meia onda, mas deixa isso para outro dia), que consiste em uma fonte (neste caso alternada), um diodo e um resistor, todos em série.

Vamos imaginar o seguinte, quando a fonte Vs for positiva, se ela pudesse fornecer corrente para o circuito, a corrente circularia no sentido de ID. Caso contrário, se a tensão Vs fosse negativa, ela tentaria fornecer corrente no sentido contrário de ID. Com isso, chegamos a seguinte conclusão: O diodo está diretamente polarizado, quando Vs>0 e reversamente polarizado, quando o contrário. Assim, quando Vs > 0,7V, o diodo irá conduzir. Assim, o diodo ficará com uma tensão de 0,7V e o restante da tensão Vs aparecerá sobre o resistor. E quando Vs < 0,7V, o diodo bloqueia, não havendo corrente no circuito, logo a tensão VR será zero!

Formas de onda do retificador

O resultado dessa discussão pode ser visto no gráfico abaixo, onde mostramos as formas de onda de tensão em Vs, VR e VD. Podemos ver, que por causa do diodo apenas a parte positiva da fonte é entregue ao resistor, de modo que ele não vai ver uma onda alternada como na entrada do circuito. Como a tensão no resistor é só positiva, ela tem um valor médio e logo, uma parcela de corrente contínua, ou seja, o retificador converte corrente alternada em corrente contínua. Eu sei que o formato está feio para ser chamado de corrente contínua, mas esse é o princípio.

O diodo, por sua vez, apresenta uma tensão igual a 0,7V quando conduz e quando bloqueado, ele absorve toda tensão da fonte. Com isso, como a fonte tem um valor de pico negativo, esse será a máxima tensão negativa no diodo, a chamada Tensão Reversa Máxima, ou Tensão de Pico Inverso. Esse valor é importante, pois, como queremos evitar o Breakdown do diodo, sempre devemos escolher um diodo que tenha uma tensão de Breakdown maior que a Tensão Reversa Máxima em um circuito.

Mas, todo diodo é igual?

Bom, todo diodo funciona de forma similar ao explicado acima, mas existem diferentes tipos de diodos no mercado. Podemos separar os diodos em basicamente em relação a três coisas:

• Quanto ao material – A maioria dos diodos comercializados hoje são feitos de Silício, mas podemos encontrar diodos feitos de Germânio, de Carbeto de Silício (SiC) de Arseneto de Gálio (GaAs), etc. Cada material vai ter características próprias quanto à capacidade de condução de corrente, velocidade, tensão de condução direta e tensão de Breakdown. Normalmente os diodos de GaAs e SiC são mais rápidos e aguentam mais Breakdown do que os de silício, mas são mais caros também;
• Quanto à velocidade – Mesmo diodos de silício podem ser construídos de formas diferentes. Podemos querer ter um diodo com maior capacidade de Breakdown, para trabalhar em tensões mais altas, ou diodos que consigam ligar e desligar muito rápido, para fontes chaveadas. Para isso temos as categorias de diodos Retificador, Diodos Rápidos e Ultra-rápidos e os diodos de Sinal;
• Quanto à construção – Além do diodo comum, podemos encontrar diodos Schottky, diodos Zener, diodos LED, entre outros.

Velocidade dos diodos

A velocidade de um diodo está relacionada ao tempo que um diodo leva para sair do estado ligado para o desligado e vice-versa. Como a condução e o bloqueio do diodo depende da desconstrução e reconstrução da camada de depleção (região física onde fica a barreira de potencial), existe um tempo para que ele troque de estado. No entanto, existe uma dificuldade de se construir diodos rápidos e que consigam bloquear muita tensão, por isso existem diferentes tipos de diodos neste sentido:

• Diodos Retificadores – Diodos feitos para uso em circuitos que retificam (transformam c.a. em c.c.) a tensão da rede elétrica. São diodos lentos (tempos de comutação de muitos milisegundos), mas que conseguem conduzir altas correntes e bloquear altas tensões. No limite, estamos falando de diodos que podem chegar a conduzir centenas de Amperes e bloquear dezenas de kilovolts;
• Diodos Rápidos e Ultrarrápidos – Diodos feitos para trabalhar com circuitos chaveados (fontes chaveadas, inversores, etc). Tem tempos de comutação de centenas de nanossegundos a dezenas de microssegundos, mas não conseguem bloquear muita tensão. No limite, encontramos diodos que conduzem uma centena de Amperes, mas que bloqueiam poucos kilovolts;
• Diodos de sinal – Os diodos de sinal, como o famoso 1N4148, são diodos feitos para trabalhar em circuitos de baixa potência. São diodos que conduzem baixas correntes (<1A), bloqueiam tensões muito baixas (<100V), mas tem tempos de comutação muito baixos (alguns nanossegundos). São ideais para uso em processamento de sinais e comunicações.

Quer se aprofundar mais neste assunto da velocidade de operação de um diodo? Eu fiz um vídeo entrando em mais detalhes, é só assistir a seguir:

Tipos de diodos

Vamos agora falar de alguns tipos de diodos que são comumente encontrados por aí.

Diodo Schottky

O diodo Schottky é um diodo construído a partir de um material tipo P (silício, por exemplo) e um Metal. Assim, não há necessariamente uma junção PN, como nós comentamos. Com isso, ele consegue ser muito rápido, praticamente não tem um tempo de comutação de liga/desliga, tem uma tensão de condução menor (0,5V normalmente). Porém, ele tem uma corrente de fuga maior (alguns micro-amperes) e não aguenta muita tensão (no limite, bloqueia uma centena de volts). Ele é indicado para circuitos de baixa potência ou circuitos de potência com baixa tensão, normalmente encontrado na saída de fontes chaveadas;

Diodo LED (Light Emitting Diode)

Os diodos LED são diodos construídos de forma emitirem uma Luz quando estiverem em condução. Podemos encontrar LED (Light Emitting Diodes) de diversas cores e potências. Normalmente possuem uma tensão de condução maior do que 0,7V (alguns LEDs de sinalização tem tensões próximas de 2V). Não aguentam muita tensão reversa (algumas dezenas de volts);

Diodo Zener

Os diodos zener são diodos que em polarização direta se comportam como diodos comuns, mas em polarização reversa podem conduzir também sem serem destruídos, ou seja, trabalham na região de breakdown. Podemos encontrar diodos Zeners de diversas potências (o mais comum é de 1/2W a 5W) e de diferentes tensões de condução reversa (3,3V a 100V, por exemplo). São diodos muito usados em limitadores de tensão;

Foto-diodo

Os foto-diodos são diodos construídos sem um encapsulamento, ou seja, que possuem a camada de depleção exposta. Ao receberem luz, o fóton transfere energia aos átomos na região da junção PN e liberam cargas elétricas, que vão ser expulsas pela barreira de potencial da junção para um dos cristais (P ou N). Com isso, quanto maior a incidência de luz, mais condutivo ficará o diodo. É um componente muito utilizado dentro de opto-acopladores e foto-sensores, dificilmente encontramos eles avulsos para comprar.

A Fig. 10 mostra os símbolos elétricos dos diodos descritos acima.

Conclusão

O diodo, apesar de ser o componente eletrônico mais simples que existe, é um dos elementos fundamentais da eletrônica analógica e da eletrônica de potência. Ele é dispositivo que é capaz de conduzir corrente em apenas um sentido e possibilita a construção de um vasta gama de circuitos e aplicações, como fontes de alimentação, limitadores, entre outros. Existem porém, diversos tipos de diodos para serem usados por projetistas. Os diodos variam em velocidade, calibre de corrente, capacidade de bloqueio de tensão e no uso também, como é o caso dos diodos Schottky, LED e Zener. De qualquer forma, este texto tenta dar ao leitor um conteúdo amplo e técnico sobre esse componente fascinante, para ajudar no melhor domínio da eletrônica.

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