Introdução aos diodos e retificadores

Tudo sobre diodos

Um diodo é um dispositivo elétrico que permite corrente mover-se por ele em uma direção com muito mais facilidade do que na outra. O tipo mais comum de diodo no projeto de circuito moderno é o semicondutor diodo, embora existam outras tecnologias de diodo. Os diodos semicondutores são simbolizados em diagramas esquemáticos, como a figura abaixo. O termo "diodo" é normalmente reservado para dispositivos de pequeno sinal, I ≤ 1 A. O termo retificador é usado para dispositivos de energia, I> 1 A.





Símbolo esquemático do diodo semicondutor:as setas indicam a direção do fluxo da corrente.

Quando colocado em um circuito simples de bateria-lâmpada, o diodo permitirá ou impedirá a passagem de corrente pela lâmpada, dependendo da polaridade da tensão aplicada. (figura abaixo)



Operação do diodo:(a) Fluxo de corrente permitido; o diodo é polarizado diretamente. (b) O fluxo de corrente é proibido; o diodo é polarizado reverso.

Quando a polaridade da bateria é tal que permite que a corrente flua através do diodo, diz-se que o diodo é polarizado diretamente . Por outro lado, quando a bateria está "para trás" e o diodo bloqueia a corrente, diz-se que o diodo tem polarização reversa . Um diodo pode ser considerado como uma chave:“fechado” quando polarizado direto e “aberto” quando polarizado reverso.

A direção da "ponta de seta" do símbolo de diodo aponta na direção da corrente no fluxo convencional. Essa convenção é válida para todos os semicondutores que possuem “pontas de flecha” em seus esquemas. O oposto é verdadeiro quando o fluxo de elétrons é usado, onde a direção da corrente é contra a “ponta de seta”.

Analogia da válvula de retenção hidráulica

O comportamento do diodo é análogo ao comportamento de um dispositivo hidráulico denominado válvula de retenção . Uma válvula de retenção permite o fluxo de fluido através dela em apenas uma direção, como na figura abaixo.



Analogia da válvula de retenção hidráulica:(a) Fluxo de corrente permitido. (b) Fluxo de corrente proibido.

Válvulas de retenção são essencialmente dispositivos operados por pressão:elas abrem e permitem o fluxo se a pressão através delas for da “polaridade” correta para abrir a comporta (na analogia mostrada, maior pressão do 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 comporta para que nenhum fluxo ocorra.

Como as válvulas de retenção, os diodos são essencialmente dispositivos operados por “pressão” (operados por tensão). A diferença essencial entre polarização direta e polarização reversa é a polaridade da tensão que caiu no diodo. Vamos dar uma olhada no circuito simples de bateria-diodo-lâmpada mostrado anteriormente, desta vez investigando quedas de tensão em vários componentes na figura abaixo.



Medições de tensão do circuito de diodo:(a) Polarização direta. (b) Polarização reversa.

Configuração de diodo de polarização direta

Um diodo polarizado direto conduz corrente e baixa uma pequena voltagem através dele, deixando a maior parte da voltagem da bateria cair através da lâmpada. Se a polaridade da bateria for invertida, o diodo torna-se polarizado reversamente e cai tudo da tensão da bateria, não deixando nada para a lâmpada. Se considerarmos o diodo como uma chave de atuação automática (fechada no modo de polarização direta e aberta no modo de polarização reversa), esse comportamento faz sentido. A diferença mais substancial é que o diodo cai muito mais tensão ao conduzir do que a chave mecânica média (0,7 volts versus dezenas de milivolts).

Esta queda de tensão de polarização direta exibida pelo diodo é devido à ação da região de depleção formada pela junção P-N sob a influência de uma tensão aplicada. Se nenhuma tensão aplicada é através de um diodo semicondutor, uma região de depleção fina existe em torno da região da junção P-N, impedindo o fluxo de corrente. (Figura abaixo (a)) A região de depleção é quase desprovida de portadores de carga disponíveis e atua como um isolante:



Representações de diodo:modelo de junção PN, símbolo esquemático, parte física.

O símbolo esquemático do diodo é mostrado na figura acima (b) de modo que o ânodo (ponta que aponta) corresponde ao semicondutor do tipo P em (a). A barra catódica, extremidade não apontada, em (b) corresponde ao material 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 reversa

Se uma tensão de polarização reversa for aplicada na junção P-N, esta região de depleção se expande, resistindo ainda mais a qualquer corrente através dela. (Figura abaixo)



A região de depleção se expande com polarização reversa.

Tensão direta

Por outro lado, se uma tensão de polarização direta for aplicada através da junção P-N, a região de depleção entra em colapso e se torna mais fina. O diodo torna-se menos resistente à corrente que passa por ele. Para que uma corrente sustentada passe pelo diodo; entretanto, a região de depleção deve ser totalmente colapsada pela voltagem aplicada. Isso requer uma certa tensão mínima para ser realizada, chamada de tensão direta conforme ilustrado na figura abaixo.



Aumentar a polarização direta de (a) para (b) diminui a espessura da região de depleção.

Para diodos de silício, a voltagem direta típica é 0,7 volts, nominal. Para diodos de germânio, a tensão direta é de apenas 0,3 volts. A constituição química da junção P-N que compreende o diodo é responsável por seu valor nominal de tensão direta, razão pela qual os diodos de silício e germânio têm tensões diretas tão diferentes. A queda de tensão direta permanece aproximadamente constante para uma ampla gama de correntes de diodo, o que significa que a queda de tensão do diodo não é como a de um resistor ou mesmo uma chave normal (fechada). Para a análise de circuito mais simplificada, a queda de tensão em um diodo condutor pode ser considerada constante na figura nominal e não relacionada à quantidade de corrente.

Equação de diodo

Na verdade, a queda de tensão direta é mais complexa. Uma equação descreve a corrente exata através de um diodo, dada a queda de tensão na junção, a temperatura da junção e várias constantes físicas. É comumente conhecido como a 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. Em temperatura ambiente, isso é cerca de 26 milivolts. Sabendo disso, e assumindo um coeficiente de "não idealidade" de 1, podemos simplificar a equação do diodo e reescrevê-la como tal:



Você não precisa estar familiarizado com a “equação de diodo” para analisar circuitos de diodo simples. Basta entender que a tensão caiu em um diodo condutor de corrente faz 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 simplesmente dizem que a queda de tensão em um diodo semicondutor e condutor permanece constante em 0,7 volts para o silício e 0,3 volts para o germânio.

No entanto, alguns circuitos fazem uso intencionalmente da relação corrente / tensão exponencial inerente da junção P-N e, portanto, só podem ser compreendidos no contexto desta equação. Além disso, uma vez que a temperatura é um fator na equação do diodo, uma junção P-N polarizada para frente também pode ser usada como um dispositivo de detecção de temperatura e, portanto, só pode ser entendida se alguém tiver uma compreensão conceitual desta relação matemática.

Operação com polarização reversa

Um diodo com polarização reversa evita que a corrente passe por ele, devido à região de depleção expandida. Na realidade, uma quantidade muito pequena de corrente pode passar e passa por um diodo de polarização reversa, chamado de corrente de fuga , mas pode ser ignorado para a maioria dos propósitos.

A capacidade de um diodo de suportar tensões de polarização reversa é limitada, como acontece com qualquer isolador. Se a tensão de polarização reversa aplicada se tornar muito alta, o diodo passará por uma condição conhecida como quebra (figura abaixo), que geralmente é destrutiva.

A classificação de tensão de polarização reversa máxima de um diodo é conhecida como Tensão Inversa de Pico , ou PIV , e podem ser obtidos com o fabricante. Como a tensão direta, a classificação PIV de um diodo varia com a temperatura, exceto que PIV aumenta com aumento da temperatura e diminuições conforme o diodo fica mais frio - exatamente o oposto da tensão direta.



Curva de diodo:mostrando joelho em polarização direta de 0,7 V para Si e desagregação reversa.

Normalmente, a classificação PIV de um diodo “retificador” genérico é de pelo menos 50 volts à temperatura ambiente. Diodos com classificações PIV na ordem dos milhares de volts estão disponíveis por preços modestos.

REVER:

• Um diodo é um componente elétrico que atua como uma válvula unidirecional para a corrente.
• Quando a tensão é aplicada através de um diodo de tal forma que o diodo permite a corrente, o diodo é chamado de polarização direta .
• Quando a tensão é aplicada através de um diodo de tal forma que o diodo proíbe a corrente, o diodo é chamado de polarização reversa .
• A queda de tensão em um diodo condutor polarizado para frente é chamada de tensão direta . A tensão direta para um diodo varia apenas ligeiramente para mudanças na corrente direta e na temperatura, e é fixada pela composição química da junção P-N.
• Os diodos de silício têm uma voltagem direta de aproximadamente 0,7 volts.
• Os diodos de germânio têm uma tensão direta de aproximadamente 0,3 volts.
• A tensão de polarização reversa máxima que um diodo pode suportar sem "quebrar" é chamada de Tensão inversa de pico ou PIV classificação.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de retificação de diodos
• Planilha de junções PN