Para saber o princípio de funcionamento do diodo precisamos retornar ao Capítulo 4.0, que traz profundos detalhes sobre os semicondutores. Para acessa-lo, basta CLICAR AQUI!
Este artigo está em sua primeira versão! Ao longo do tempo, mais informações serão adicionadas!
Imagem 1 - Simbologia do Diodo
CURIOSIDADE: A seta do símbolo do diodo aponta para a direção contrária ao sentido da corrente. O motivo disso é que nos esquemas elétricos sempre definiram a corrente como um fluxo de elétrons do polo positivo para o negativo, entretanto, sabemos que na prática a corrente flui do polo negativo (onde há excesso de elétrons) para o positivo (onde há falta deles).
Para saber mais sobre os princípios da eletrônica, CLIQUE AQUI! (Introdução à Eletrodinâmica) e CLIQUE AQUI! (Introdução à Eletrodinâmica - PARTE 2).
Pois bem, o diodo é um dispositivo composto por uma película cristalina cujas faces opostas são dopadas por diferentes materiais, formando um semicondutor do tipo P (positivo) e um semicondutor do tipo N (negativo), fazendo com que este componente atue como um interruptor de sentido para a corrente elétrica. Ele permite que a corrente flua numa direção, mas impede consideravelmente a corrente de passar na direção oposta.
Os diodos são também conhecidos como retificadores do sinal elétrico, pois alteram a corrente alternada (AC) para corrente pulsante, já que na região de 'junção' entre o material P e o material N forma-se uma barreira onde é necessário um valor mínimo de tensão positiva para se estabelecer corrente elétrica, "cortando" assim o semi-ciclo negativo da corrente alternada.
Gráfico 1 - A onda senoidal perde seus semi-ciclos negativos ao passar pelo diodo
CURIOSIDADE: um diodo sozinho é apenas um retificador de meia-onda. Para obtermos uma retificação de onda completa usamos uma ponte retificadora, e isso você verá na sequência deste texto!
Os diodos têm polaridade, determinada por um ânodo (carga positiva) e cátodo (carga negativa). A maior parte dos díodos permite que a corrente passe apenas quando é aplicada tensão positiva ao ânodo.
Assim, se a tensão da fonte geradora for maior que a tensão necessária para passar a 'junção' interna entre os materiais P e N do diodo, os portadores livres se repelirão por causa da polaridade da fonte geradora e conseguirão fluir, permitindo a passagem de corrente elétrica. A polarização é indireta quando o inverso ocorre, isto é, ocorrerá uma atração das lacunas do anodo (material P) pela polarização negativa da fonte geradora e uma atração dos elétrons livres do cátodo (material N) pela polarização positiva da fonte geradora, sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N, ocasionando no bloqueio da corrente elétrica.
Pelo fato de os diodos fabricados não serem ideais, o bloqueio de corrente elétrica no diodo (polarização inversa) não é total devido a presença de portadores de carga minoritários entre os semicondutores tipo N e tipo P, existindo uma pequena corrente - na ordem dos microampéres - que é conduzida. Esta corrente é chamada de "corrente de fuga", tendo um valor quase desprezível.
-> Quando um diodo permite a passagem da corrente, diz-se que é polarizado em sentido direto.
-> Quando um diodo é polarizado em sentido inverso - também chamada de polarização reversa -, atua como um isolante e não permite a passagem de corrente.
A diferença mais substancial é que, quando diretamente polarizado, há uma queda de tensão no diodo muito maior do que aquela que geralmente se observa em chaves mecânicas (no caso do diodo de Silício, 0,7 V). Assim, uma fonte de tensão de 10 V, polarizando diretamente um diodo em série com um resistor, por exemplo, faz com que haja uma tensão de 9,3 V no resistor. Na polarização inversa, o diodo faz papel de uma chave aberta, pois já que não circula corrente, não haverá tensão no resistor.
Existe uma "penca" de tipos de diodos, cujos principais são apresentados na Imagem 1. Nesse artigo traremos a explicação de alguns deles...
Diodo comum
Chamamos de comum aquele diodo de Silício ou de Germânio para uso geral, aplicado na conversão de AC para DC, como estes mostrados nas imagens abaixo:
Imagem 2 - Existe uma variedade grande de configurações de diodos
-> A: Axial com invólucro de liga metálica;
-> B: Radial com invólucro de metal e montagem por encaixe através de castelo com rosca;
-> C: Axial com invólucro de resina de poliepóxido e banda;
-> D: Axial com invólucro de resina de poliepóxido com chanfro;
-> E: Axial com invólucro de vidro.
CURIOSIDADE: Os diodos com invólucro de metal, principalmente aquele de castelo com rosca são feitos pra trabalharem com retificação de correntes extremamente altas.
CURIOSIDADE: Os diodos com invólucro de resina de poliepóxido possuem uma faixa ou chanfro em um de seus lados indicando o polo negativo (cátodo).
Imagem 3 - Identificando Diodos
Já aqueles diodos axiais com invólucro de vidro também trazem - na grande maioria - uma ou duas faixas na cor preta ou vermelha referenciando a polaridade...
Imagem 4 - Este é um diodo de Germânio modelo 1N60. Perceba uma faixa vermelha um tanto apagada em seu lado esquerdo
Imagem 5 - Este é um diodo de Silício modelo 1N4007. Perceba sua faixa cinza indicando a polaridade
E a ponte retificadora?
Primeiro, precisamos fazer uma distinção: a ponte retificadora nada tem a ver com ponte de Whatstone!
Imagem 6 - Diferenciando as pontes!
A ponte retificadora é um circuito composto por quatro diodos comuns cuja função é retificar a onda de maneira completa, isto é, tornar a tensão "reta". Obviamente, o diodo não vai milagrosamente tornar aquilo que oscila em retilíneo, porém, vai cortar os semi-ciclos negativos e os transpor para positivos!
Diagrama 2 - Note que o sentido da corrente acaba sendo sempre o mesmo no resistor, apesar da constante oscilação entre positivo e negativo da rede elétrica
Após passar pela ponte retificadora, temos apenas uma tensão pulsante no polo positivo:
Gráfico 2 - Agora sim, temos uma retificação de onda completa!
Você pode fazer uma ponte retificadora caseira usando quatro diodos 1N4007, ou então comprar o componente pronto, sendo nada mais que um invólucro também feito de Poliepóxido com quatro terminais e quatro diodos internamente!
Abaixo deixo um datasheet de uma série de pontes retificadoras da Good-Ark:
CURIOSIDADE: Em sistemas com várias fases alternadas para alimentação de um circuito de tensão contínua, ao invés de utilizar-se de uma simples ponte retificadora, coloca-se um conjunto de diodos com o mesmo fim, como é o caso de alternadores automotivos. Já que há apenas uma linha de tensão contínua para o circuito, não há problemas em unir todas as fases após a retificação...
Diagrama 3 - Circuito básico para um alternador trifásico que alimenta circuito de 12 Volts num automóvel
Para saber mais sobre Alternadores de automóveis, CLIQUE AQUI!
Agora, a curva característica de um diodo comum, seja ele de Silício ou de Germânio:
Gráfico 3 - Curva característica dos diodos de uso geral
Antes de analisarmos o gráfico anterior, vamos prestar atenção para alguns detalhes importantes que ajudam na compreensão do mesmo. O eixo das abscissas (horizontal) é relacionado à VD, ou seja, a tensão aplicada nos terminais do diodo. O eixo das ordenadas (vertical) representa a corrente que passa de um terminal para o outro do diodo.
Agora, observe as escalas:
-> Veja que no eixo de Vd(V), sua porção do lado direito possui uma escala muito menor do que a da sua porção esquerda. Do lado direito, temos variações em mV. Do lado esquerdo, a variação é em dezenas de Volts.
-> O mesmo acontece para a corrente no eixo vertical do gráfico. A parte superior foi feita sob uma escala de mA. Já a parte inferior foi feita sob uma escala de µA.
Na medida em que aumentamos a tensão de alimentação do diodo, temos o surgimento de uma corrente entre os terminais. O diodo está polarizado positivamente e está conduzindo (Região de polarização direta). Observe que, até mais ou menos 0,7 V, a corrente que passa pelo diodo ainda é relativamente pequena. A partir daí, temos uma crescente muito forte. Esse gráfico mostra uma curva característica de um diodo de Silício. Se fosse um diodo de Germânio, a tensão limiar seria 0,3 V. Esse valor, chamado de "tensão limiar" geralmente é representado pelo símbolo Vt (o "t" vem de "Threshold", que significa "limiar" em inglês).
O caso em que aplicamos uma tensão negativa aos terminais do diodo está representado na parte negativa do gráfico, no eixo Vd(V). Veja que, para qualquer valor negativo (-10, -20, etc.), teremos uma pequena corrente de cerca de 0.3µA. Num diodo ideal - teórico e perfeito - ela não existiria. Entretanto, em um "diodo real", comercial, ela existe e é chamada corrente de fuga. Ela é tão pequena que para a maioria dos casos pode ser considerada nula e assim, podemos dizer que o diodo, quando polarizado negativamente, não deixa passar corrente entre os seus terminais.
Para completar a análise, temos a terceira região de operação do diodo, a região de ruptura. Esta região é obtida quando aplicamos aos terminais do diodo uma tensão reversa maior que um valor específico, chamado "tensão de ruptura". Esta tensão é ilustrada no gráfico acima como VZK, onde o subíndice "Z" representa o nome "Zener" (referente a um determinado tipo de diodo, que estudaremos mais a frente) e o subíndice "K" significa "joelho" (knee), pois a tensão VZK ocorre no joelho da curva tensão-corrente do diodo.
Na região de ruptura, qualquer acréscimo na tensão reversa além de VZK provoca um rápido aumento da corrente inversa. Você deve estar se perguntando: Caso o diodo entre nessa região, ele vai queimar? Na verdade, esta região não é normalmente destrutiva para o diodo, pois pode-se fazer com que a potência dissipada pelo componente permaneça em um nível seguro. Este nível seguro, geralmente, é fornecido pelo fabricante e pode ser operado utilizando-se de um circuito externo para limitar corrente. Logo, de acordo os níveis de potência permissíveis para o diodo, limitamos a corrente reversa na região de ruptura.
Para finalizar este tópico, abaixo, parte de um datasheet dos diodos mais comuns encontrados por aí...
Imagem 7 - Vamos usar isso para comparar características principais com outros tipos de diodos
Até os iniciantes em eletrônica já ouviram falar dos 1N400x! Provavelmente é a primeira coisa que vem na cabeça quando se fala "diodo"! :v
Diodo Zener
Imagem 8 - Alguns tipos de diosos Zener
Note na imagem acima, que o diodo Zener mais comum, com invólucro do tipo "DO" (PTH) ou "SOD" (SMD), tem colocaração avermelhada e uma faixa de cor diferente indicando o cátodo. Pois bem, estes possuem invólucro de vidro.
Algumas versões PTH e SMD podem ter invólucro "SOD" ou "SOT" de resina termofixa de Poliepóxido.
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Quando um diodo é polarizado no sentido inverso existe uma tensão limite que podemos aplicar neste componente sem que ele se danifique. Acima desta tensão, denominada "de ruptura" o diodo se torna condutor, e para os tipos comuns ocorre sua destruição.
Em outras palavras, a diferença é que, no diodo convencional, ao atingir uma determinada tensão inversa, a corrente aumenta bruscamente (efeito de avalanche), causando o efeito Joule, e consequentemente a dissipação da energia térmica acaba por destruir o dispositivo, não sendo possível reverter o processo.
CURIOSIDADE: O efeito avalanche acontece quando o diodo é polarizado inversamente, circulando no diodo uma corrente muito pequena denominada "corrente de fuga". A medida que a tensão inversa cresce, cresce também o potencial elétrico existente na barreira de potencial. Esse campo pode acelerar suficientemente os elétrons livres, fazendo com que eles adquiram bastante energia, provocando choques capazes de romper ligações covalentes.
Se um diodo for construído de modo a suportar a corrente nesta faixa de ruptura (que no diodo Zener é comumente chamada de tensão Zener, abreviado por "Vz"), ele pode manter a tensão constante entre seus terminais. Assim, diodos Zener são componentes que podem operar polarizados no sentido inverso com uma tensão de ruptura não destrutiva. Ao atingir esse valor de tensão negativa, o diodo Zener passa a conduzir corrente elétrica, mesmo polarizado reversamente.
O diodo Zener recebe uma dopagem maior na película cristalina, o que provoca a aproximação da curva na região de avalanche ao eixo vertical. Isto reduz consideravelmente a tensão de ruptura e evidencia o efeito Zener, que é mais notável à tensões relativamente baixas (em torno de 5,5 Volts).
A curva característica do Zener é dada abaixo:
Gráfico 4 - Curva característica dos diodos Zener
A ação dos diodos Zener pode ser aproveitada em diversas aplicações eletrônicas importantes. Eles funcionam como reguladores de tensão ou de corrente e ainda podem ser empregados para fazer o corte de picos de sinais.
As principais características elétricas que devemos observar num diodo Zener são:
→ Tensão Zener (Vz): É a tensão inversa que faz o diodo conduzir e que ele mantém constante numa ampla faixa de valores de corrente. Os diodos zener comuns possuem tensões Zener entre 1,5 e mais de 200 V tipicamente.
→ Dissipação (PzM): É a quantidade máxima de calor que o componente pode dissipar e que, portanto, está associada a máxima corrente que podemos manter através dele. A máxima corrente (IzM) multiplicada por Vz resulta na potência ou dissipação máxima. Os tipos mais comuns são de 400 mW de dissipação, mas dependendo da aplicação podemos encontrar diodos Zener maiores.
CURIOSIDADE: Para diodos Zener que operam em baixas tensões, em alguns casos é preciso fazer um "casamento" entre ele e a tensão do circuito (que é mais alta). Para tal, utilizamos as mesmas fórmulas básicas para calcular o resistor necessário para ligar um LED!
Para calcular a potência necessária que o diodo Zener deve ter para ser implementado num circuito, também fazemos o uso de fórmulas básicas!
Para conhecer tais cálculos, basta CLICAR AQUI!
Em muitas aplicações práticas é possível obter tensões diferentes das fornecidas pelos diodos individualmente fazendo sua ligação em série. No entanto, nesse tipo de ligação, para que a dissipação seja uniforme e para que não ocorram outros problemas de operação os valores dos diodos devem ser mantidos os mais próximos possíveis.
Por exemplo, para obter 15 V, pode-se ligar um diodo de 6,8 V em série com um de 8,1 V, mas deve-se evitar o uso de um de 12 V com um de 3,1 V.
Para que um diodo zener opere satisfatoriamente, a corrente nele deve ser tal que ele fique entre 10% e 80% da sua dissipação. Nessas condições sua operação é mais estável. Por exemplo, se a potência do Zener for 1 W, ele deve operar entre 0,1 e 0,8 W.
Para concluir, colocando-se um diodo Zener com sua polaridade invertida no circuito, ao atingir sua tensão Zener (Vz), o componente irá conduzir corrente elétrica entre Iz miníma (Izm) e Iz Máxima (IzM).
Identificação
Os diodos zener são encontrados em diversos tamanhos e tipos de acordo com a corrente e tensão com que devem trabalhar. A maioria dos fabricantes especifica seus diodos Zener por códigos que tanto podem levar a nomenclatura "1N" como "BZX" e "BZY" para os tipos europeus.
Para as séries com nomenclatura européia temos quatro dissipações possíveis, com os invólucros mostrados na próxima imagem:
Imagem 9 - Alguns invólucros comuns para diodo Zener
-> BZX79 = 500 mW com componentes de 2,4 V a 68 V (tolerância de 5%)
-> BZV60 = 400 mW com componentes de 2,4 V a 68 V (tolerância de 5%)
-> BZT03 = 3,25 W com componentes de 7,5 V a 270 V (tolerância de 5%)
-> BZW03 = 6 W com componentes de 7,5 V a 270 V (tolerância de 5%)
É relativamente fácil saber qual é a tensão Zener de qualquer diodo desta série, pois ela é dada pelo sufixo.
Assim, o BZX79C2V4 é um diodo Zener de 500 mW para 2,4 V (a tensão é o 2V4)
Para a nomenclatura americana, em que os diodos começam por 1N, o número que se segue não indica nada sobre a tensão, devendo ser consultadas tabelas ou manuais do fabricante.
Para facilitar, separamos uma tabela com tipos comuns e suas tensões:
Diodo Schottky
Os diodos Schottky, também conhecidos como diodos de barreira Schottky (SBD) são componentes relativamente novos na indústria eletrônica, pois são usados há aproximadamente 35 anos apenas. No entanto, suas características especiais os tornam ideais para certas aplicações em que os diodos comuns de Silício não se dão bem, como por exemplo, nos circuitos de comutação rápida ou ainda nos circuitos em que uma queda de tensão no sentido direto deva ser minimizada.
CURIOSIDADE: O nome deste tipo de diodo é uma homenagem ao físico alemão Walter Hermann Schottky.
Ao contrário do diodo comum, o diodo Schottky não é formado por uma junção P-N, isto pois o material P é substituído por uma camada composta por uma liga metálica, formando uma junção Metal-N. Neste tipo de diodo, a barreira de potencial (zona de junção ou zona de depleção) é chamada de "Barreira de Schottky".
CURIOSIDADE: Como estes componentes são construídos usando um composto de metal em um lado e Silício dopado no outro lado, não possuem uma zona de depleção típica igual outros tipos de diodos e, portanto, podem ser classificados como dispositivos unipolares.
O que diferencia as características de condução dos diodos comuns em relação aos diodos Schottky é a tecnologia de fabricação e o material usado. Desse modo, para obter uma barreira de condução baixa existem diversas tecnologias que são empregadas, determinando outras características do componente.
A General Semiconductor, por exemplo, usa duas tecnologias para fabricar seus produtos. Uma delas é utilizada na série MBR de componentes, que apresentam uma característica de operação de alta temperatura, baixas fugas e uma queda de tensão no sentido direto relativamente alta.
A segunda linha, conhecida por SBL, é projetada para operar em temperaturas mais baixas (menos de 125 °C) apresentando correntes de fugas mais elevadas e uma queda de tensão no sentido direto menor.
Nos diodos Schottky de barreira alta a liga metálica utilizada é o Nicromo, enquanto que nos de barreira baixa é aplicada uma liga de Nicromo-Platina.
Ligas de Alumínio ou Molibdênio também pode ser aplicadas neste tipo de componente. No entanto, é bastante difícil achar com precisão tais informações, já que muita coisa se trata como segredo comercial.
Este contato de "metal silicioso" tem um valor de resistência ôhmica razoavelmente baixo, permitindo que mais corrente flua, produzindo uma queda de tensão direta (Vf) menor de cerca de 0,4 V durante a condução. Diferentes compostos metálicos produzirão diferentes quedas de tensão direta, normalmente entre 0,3 a 0,5 volts. Outro fator é que, via de regra, quanto maior a corrente através do diodo, maior a Vf, e quanto maior a temperatura do diodo, menor o Vf. Essa variação não é muito grande, porém, existe.
A curva característica do diodo Schottky é mostrada abaixo, comparando-se com o diodo comum:
Gráfico 5 - Curva característica do Diodo Schottky
A corrente elétrica através do diodo Schottky é o resultado do desvio dos portadores majoritários. Como não há material semicondutor do tipo P e, portanto, não há portadores minoritários (lacunas), quando polarizados reversamente, a condução para muito rapidamente, tal qual ocorre um diodo P-N convencional. Assim, para um diodo Schottky, há uma resposta muito rápida às mudanças na polarização e demonstrando as características de um diodo retificador.
Quando a tensão operacional muda de tensão direta para reversa (transição do semi-ciclo positivo para o negativo), a operação ideal do diodo é que a corrente possa ser instantaneamente desligada. De fato, geralmente demora um pouco, mas no caso do Schottky é uma valor considerado bastante baixo, tornando-o superior ao diodo comum. A quantia que determina o atraso de corte é denominada "tempo de recuperação reversa" (Trr). Este indicador é importante quando o componente está operando em alta frequência.
A baixa queda de tensão direta (Vf - da ordem de microvolts), e o baixíssimo tempo de recuperação reversa (Trr - da ordem de picos segundos), devem-se ao metal usado no ponto em que se tem a barreira de potencial.
Mas, como vemos no gráfico acima, nem tudo são flores:
-> A corrente de fuga (Ir) quando polarizado inversamente é um tanto maior que em um diodo comum;
-> A tensão de ruptura é um valor bem mais baixo. Enquanto um diodo 1N4007 da vida tem tensão de ruptura na casa dos 1kV, um Schottky consegue ter menos de uma centena de volts.
Veja este modelo da Farnell abaixo:
Imagem 10 - A tensão de ruptura deste Schottky é apenas 25 Volts. Já a corrente de fuga pode variar entre 20 mA e 80 mA entre 25 °C e 100 °C
Outro fator é que os diodos de Silício podem suportar temperaturas de operação próximo dos 200 °C (depende do invólucro), enquanto os diodos Schottky operam, em geral, no máximo entre 125 °C e 175 °C. O material do invólucro também entrega a temperatura limite de operação, afinal, peças envoltas em resina de Poliepóxido não podem ir muito além dos 150 °C para não danificar a resina termofixa.
CURIOSIDADE: Já existem diodos Schottky, cujo material N é composto de Carbeto de Silício (ou outro semicondutor que não seja Silício dopado) que conseguem operar com tensões reversas mais elevadas, como podemos ver na imagem abaixo:
Imagem 11 - Um diodo Schottky de SiC da marca LittelFuse
LED
Os LEDs são os grandes substitutos das outras tecnologias de iluminação populares, salvo algumas aplicações!
Entre as diferenças deles com os diodos comuns, para além de emitir luz, os LEDs podem ter uma queda de tensão direta muito alta, indo de 2 V até próximo de 5 Volts, dependendo do semicondutor utilizado, que em quase todos os casos nada tem a ver com compostos a base de Silício ou Germânio vistos neste texto. A tensão reversa aplicada em um LED não pode ser muito alta, e geralmente não ultrapassa a casa dos 5 Volts, não podendo (pois nem faz muito sentido) ser implementado em circuitos de tensão alternada.
Quer saber mais sobre LEDs Orgânicos e Inorgânicos? Então CLIQUE AQUI!
No artigo dedicado aos LEDs, você verá:
-> Simbologia;
-> Estrutura interna do componente (LED comum e RGB);
-> Semicondutores utilizados - orgânicos e inôrganicos - e fomação de cores;
-> Curva característica do LED e comparação com a curva de outras fontes de luz artificiais;
-> Tipos de LEDs (invólucros) e aplicações comuns.
Neste tópico trazemos algumas outras informações relevantes sobre os diodos!
Testando um diodo comum
Quando se testa um diodo num multímetro digital, o equipamento alimenta o componente com uma pequena tensão suficiente para polarizar em sentido direto sua junção. A queda de tensão normal é de 0,5 V a 0,8 V. A resistência de polarização no sentido direto de um bom diodo deverá variar entre 10 e 1000 Ohms. Com polarização no sentido inverso, o display de um multímetro digital irá apresentar a sigla OL (o que indica uma resistência muito elevada).
Imagem 12 - Testando um diodo comum
Os diodos têm correntes nominais. Se a corrente nominal for excedida, pode se instaurar um curto-circuito fazendo com que a corrente flua em ambas as direções ou impedir a corrente de passar em qualquer uma das direções.
LEDs em tensão alternada
No tópico sobre LEDs vimos que não há como ligar diodos emissores de luz diretamente em tensão alternada, como por exemplo as redes domésticas de 127 ou 220 Volts, visto que eles são muito frágeis pra isso. Pois bem, até podemos fazer esta façanha, mas temos que utilizar no mínimo um resistor e um diodo 1N4007 ligados em série com o(s) LED(s)!
Em primeiro momento, parece mais sensato utilizar uma fonte de alimentação para isso, e você está certo. No entanto, em aplicações onde, por exemplo, temos vários botões acionando equipamentos e um painel rudimentar mostrando através de LEDs quais máquinas foram ligadas, torna-se mais simples e barato a utilização de resistores e diodos...
Imagem 13 - Um velho painel industrial com LEDs
No painel acima, há botões que acionam motores trifásicos e monofásicos, porém, as chaves on/off são todos ligadas em uma fase de 220 Volts. Sendo assim, cada botão aciona o respectivo LED do painel com esta mesma linha de sinal.
Imagem 14 - Apesar da bagunça, conseguimos compreender!
Cada botão deste painel de controle alimenta um diodo, que está ligado em série com um resistor, que por sua vez está ligado em série com um LED. O polo negativo de todos os LEDs é conectado em um terminal negativo comum.
O diodo simplesmente "corta" os semi-ciclos negativos da rede. Cada resistor, para alimentar um LED de cerca de 2 Volts deve ter cerca de 15 kΩ, permitindo uma corrente com cerca de 15 mA.
Diodo de roda-livre
O diodo de roda-livre, também conhecido como "diodo Flyback" ou diodo "Free Wheeling" se refere a um tipo de aplicação específica de diodos em cargas indutivas. Ele é posicionado em antiparalelo com uma bobina e tem a função de dissipar a descarga de tensão formada com a interrupção da corrente elétrica no enrolamento.
Diagrama 4 - Esquema elétrico GENÉRICO para demonstrar a aplicação do diodo de roda-livre
Note que o diodo de roda livre sempre é colocado ao lado da bobina e com sua polaridade invertida, ou seja, antiparalelo, isto pois sua função não é conduzir quando o circuito é fechado, mas sim conduzir e dissipar apenas a descarga elétrica formada no momento em que o circuito é aberto.
Para saber mais sobre a grande necessidade de um diodo de roda-livre em aplicações com indutores - bobinas em geral - e a física por trás de tudo isso, recomendo que CLIQUE AQUI!
O diodo que você pode utilizar em situações deste tipo pode ser o velho conhecido 1N4007, por exemplo. Em aplicações mais complexas e trabalhadas você pode aplicar até um Schottky ou um diodo Fast (ultra rápido).
CURIOSIDADE: Você também encontrará, por exemplo, relés com um "resistor de roda-livre". Ele estará disposto da mesma forma que o diodo, em paralelo com a bobina. A diferença é que o resistor não possui polaridade definida, no entanto, como sua resistência é maior que a do enrolamento, a corrente írá fluir pelo caminho de maior condutância. Ao abrir o circuito, o pulso de tensão elevada será dissipado - quase que totalmente - pelo resistor. O problema é o "quase que totalmente", tornando o diodo de roda-livre mais eficiente para muitos fins.
Para fins de exemplo, relés utilizados em automóveis e caminhões geralmente possuem um resistor ou um diodo de roda-livre já integrado:
Imagem 15 - Muitos relés de automóveis e caminhões trazem um resistor OU um diodo integrado
Outro exemplo de aplicação do diodo de roda-livre é em embreagens magnéticas de compressores de ar-condicionado de automóveis e caminhões. O cubo da polia (conectado ao eixo do compressor) é acoplado ao anel exerno (que é movimentado por uma correia) através de uma bobina. Toda a vez que o compressor fôr desligado - desacoplamento da embreagem através da interrupção do campo magnético, ou seja, se abre o circuito -, um pulso de tensão elevada precisa ser dissipado.
Portas lógicas feitas com diodos
As funções lógicas digitais podem ser implementadas utilizando diodos e resistores. A implementação das portas lógicas leva em consideração um fato que você já está careca de saber: o diodo só conduz corrente elétrica em um único sentido, ou seja, age como um interruptor.
Antes de analisarmos circuitos de portas lógicas e ver como os mesmos funcionam, devemos fazer algumas considerações. Primeiramente, devemos considerar um sistema de lógica positiva, onde o valor lógico “1” (nível HIGH) corresponde a um valor de tensão próximo de +5 V, e o valor lógico “0” (nível LOW) corresponde a um valor de tensão próximo de 0 Volts. Devemos considerar também, que as tensões VA, VB e VC são as entradas das portas lógicas e a tensão V0 é a saída das mesmas.
Diagrama 5 - Portas lógicas com diodos
Vamos analisar os circuitos dos diagramas acima. Vamos admitir que todas as tensões de entrada estejam ligadas em +5 V (nível lógico "1"). Neste caso, é fácil perceber, pela posição dos diodos, que a tensão aplicada em seus terminais será maior que zero. Logo, todos os diodos irão conduzir, fazendo com que a tensão V0 fique próxima de +5 V.
Agora, vamos supor que todas as entradas estejam com 0 Volts. Fazendo isso, a tensão nos terminais dos diodos será zero. Logo, todos os diodos estarão em corte. Desse modo, não fluirá corrente por nenhum diodo nem pelo resistor e a tensão de saída V0 também será zero.
Mas, o que ocorrerá quando tivermos algumas entradas em nível lógico alto (+5 V) e outras em nível lógico baixo (0 V)?
Para respondermos a essa pergunta, considere:
-> VA = +5 V;
-> VB = 0 V;
-> VC = 0 V.
Neste caso, o diodo ligado a entrada VA irá conduzir, pois há uma tensão maior que zero em seus terminais. Este fato, fará com que a saída V0 seja +5 V, uma vez que há caminho para a corrente fluir (caminho formado pelo diodo VA e pelo resistor). A tensão de +5 V na saída fará com que todos os diodos ligados as entradas com nível lógico baixo fiquem em corte, tendo em vista que os mesmos estarão polarizados reversamente.
Com essa análise, podemos afirmar que este circuito implementa uma porta OR, pois para que a saída permaneça em nível lógico alto, basta que pelo menos uma das entradas também esteja no nível lógico alto.
Lógica Schottky TTL
OBSERVAÇÃO: Para saber do que se trata a tal lógica TTL, recomendo a leitura do texto "Hardware: Conexões ponto-a-ponto e barramentos, seriais ou paralelos". Para acessa-lo, CLIQUE AQUI!
O diodo Schottky também tem muitos usos em circuitos digitais e é amplamente usado em portas e circuitos lógicos digitais Schottky TTL (Transistor-Transistor Logic) devido à sua resposta de frequência mais alta, tempos de comutação reduzidos e menor consumo de energia. Onde a comutação de alta velocidade é necessária, o TTL baseado em Schottky é a escolha óbvia.
Todas as portas e circuitos Schottky TTL usam um "transistor Schottky grampeado" para evitar que sejam levados à saturação. Observe o digrama abaixo:
Diagrama - Transistor com diodo Schottky integrado
Como mostrado, um "transistor grampeado Schottky" é basicamente um transistor de junção bipolar padrão com um diodo Schottky conectado em paralelo através de sua junção coletor-base.
Quando o transistor conduz normalmente na região ativa de suas curvas características, a junção base-coletor é polarizada reversa e, portanto, o diodo é polarizado reversamente, permitindo que o transistor opere como um NPN normal. No entanto, quando o transistor começa a saturar, o diodo Schottky torna-se polarizado diretamente e prende a junção coletor-base ao seu valor mínimo pra começar a conduzir (0,4 volts), mantendo o transistor fora da saturação forte, pois qualquer excesso de corrente de base é desviado pelo diodo.
Impedir que os transistores de comutação dos circuitos lógicos saturem diminui muito seu tempo de atraso de propagação tornando os circuitos Schottky TTL ideais para uso em flip-flops, osciladores e chips de memória.
Imagem 16 - Datasheet de memória RAM do tipo EDO (super obsoleta) destacando o uso da lógica Schottky TTL
Existem diferentes versões do Schottky TTL, todas com diferentes velocidades e consumo de energia. As três principais séries lógicas TTL que usam o diodo Schottky em sua construção são dadas como:
-> Schottky Diode Clamped TTL (série S): Schottky série “S” TTL (74SXX) é uma versão aprimorada do DTL diodo-transistor original e circuitos / portas lógicas TTL série 74. Os diodos Schottky são colocados na junção do coletor de base dos transistores de comutação para evitar que saturem e criem atrasos de propagação, permitindo uma operação mais rápida.
-> Schottky de baixa potência (série LS): A velocidade de comutação do transistor, estabilidade e dissipação de energia da série 74LSXX TTL é melhor do que a série 74SXX anterior. Além de uma velocidade de comutação mais alta, a família Schottky TTL de baixo consumo consome menos energia, tornando a série 74LSXX TTL uma boa escolha para muitas aplicações.
-> Schottky avançado de baixa potência (série ALS): Melhorias adicionais nos materiais usados para fabricar as junções Metal-N dos diodos significam que a série 74LSXX reduziu o tempo de atraso de propagação e a dissipação de energia muito menor em comparação com as séries 74ALSXX e 74LS. No entanto, sendo uma tecnologia mais recente e um design inerentemente mais complexo internamente do que o TTL padrão, a série ALS é um pouco mais cara.
E este foi o início das explicações sobre estes componentes semicondutores fundamentais da eletrônica!
Em breve este artigo será atualizado com mais informações relevantes e a PARTE 2 será publicada, trazendo detalhes sobre o Diodo SCR, Túnel e Varicap!
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FONTES e CRÉDITOS:
Texto: Leonardo Ritter;
Imagens: Google Imagens, Leonardo Ritter;
Fontes: Instituto Newton C. Braga; Instituto Metrópole Digital; RoboCore; Mundo da Elétrica; Blog Nova Eletrônica; site electronics-tutorials.ws; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).
Ultima atualização: 23 de Abril de 2023.