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Introdução ao Diodo



Introdução

Diodos, embora pouco conhecidos, são componentes eletrônicos fundamentais para a criação de circuitos, principalmente quando o projeto irá trabalhar com alta potência. Grande parte dos diodos pode ser encontrada em drivers de motores DC, como o Shield Motor Driver 2x2A e a Julieta V1.0. Como já vimos o básico sobre capacitores e resistores, está na hora de darmos um passo a mais e entrar de uma vez por todas no mundo dos semicondutores.

Neste tutorial vamos ver os principais modelos de diodos, sua fabricação, e algumas aplicações mais usuais para este componente.

Conceitos Básicos

polaridade-diodo
Polaridade de um Diodo
Fonte: LearnSparkfun

O funcionamento básico de um diodo é permitir que a corrente flua no circuito em apenas um sentido. Os diodos possuem polaridade (como é possível observar na imagem ao lado), portanto a passagem de corrente será de acordo com a sua polaridade no circuito. Ou seja, caso o diodo seja polarizado corretamente, ele irá permitir a passagem de corrente, porém, caso ele seja polarizado inversamente, ele atuará abrindo o circuito, como na imagem abaixo.


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Polaridade de um Diodo no Circuito
Fonte: LearnSparkfun

Esse comportamento característico do diodo gera uma curva de corrente em relação à tensão muito característica. Essa curva é denominada de curva não ôhmica, já que o diodo não segue a lei de Ohm, e possui uma dependência não linear com a tensão aplicada em seus terminais.

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Curva do Diodo
Fonte: LearnSparkfun

O gráfico acima demonstra a curva característica do diodo, onde é possível observar os três quadrantes da curva: a polarização direta (forward), onde o diodo atua como condutor; a polarização reversa (reverse), onde o diodo atua como um componente dielétrico, não permitindo a passagem de corrente; e o quadrante de ruptura (breakdown), onde a tensão de ruptura do diodo é atingida e ele atua novamente como um condutor, entretanto, permitindo a passagem de corrente no sentido contrário. No gráfico acima, também é possível observar que a atuação do diodo não é "de graça", já que o mesmo, para atuar como um componente condutor, provoca uma queda de tensão no circuito (no gráfico, de 0,7 V). Caso você queira aprender mais sobre essa curva característica do diodo, assista o vídeo do Professor Jalberth Fernandes, onde ele ensina toda a teoria e os cálculos por trás dessa curva.

Semicondutores

Você provavelmente já deve ter ouvido falar, principalmente com transistores, sobre impurezas N ou P, como o transistor NPN ou PNP, porém você sabe o que isso significa? Semicondutores são construídos com aditivos, por meio de um procedimento chamado "dopagem" ("doping"). Esse procedimento insere impurezas que modificam a condutividade do material. Já as nomenclaturas "N" e "P" estão atreladas ao tipo de dopagem feita ao material. A dopagem é feita através do compartilhamento de elétrons entre o silício (material principal de semicondutores) e algum elemento que seja atômicamente compatível para realizar a polarização de elétrons na camada de valência do átomo.

Dopagem N

sb
Antimônio (Sb)
Fonte: Newton Desk

A dopagem tipo N é pentavalente, ou seja, o elemento utilizado, normalmente o Antimônio (Sb), possui 5 elétrons livres na camada de valência, que são compartilhados com outros átomos para alcançar o equilíbrio. Dessa forma, quando ligado ao Silício (Si), um elétron fica livre.

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União Antimônio - Silício
Fonte: Hyper Physics

Dopagem P

b
Boro (B)
Fonte: Newton Desk

A dopagem tipo P é trivalente, ou seja, o elemento utilizado, normalmente Boro (B), possui 3 elétrons livres na camada de valência, que são compartilhados com outros átomos para alcançar o equilíbrio. Dessa forma, quando ligado ao Silício (Si), uma lacuna (hole), que corresponde a um déficit de elétron, fica livre.

curva-diodo
União Boro - Silício
Fonte: Hyper Physics

Junção PN

Para atuar da maneira que deve, o diodo possui uma junção PN, ou seja, uma região onde os semicondutores de dopagem P e N se encontram. Um gradiente de alta densidade é criado durante uma migração de elétrons livres vindos da dopagem N e das lacunas vindas da dopagem P. A imagem abaixo demonstra a camada criada pela junção dos semicondutores, assim como a migração dos elétrons.

P-N
Junção PN
Fonte: ElectronicsTutorials

Os diodos são fabricados utilizando dois conectores metálicos em contato direto com os materiais N e P, onde o terminal que está em contato com o P é o ânodo, e o que está em contato com o N é o cátodo.

P-N
Construção de Diodos
Fonte: Learnaboutlectronics

Modelos

Existem diversos modelos de diodos que são utilizados para aplicações distintintas. Dentre os mais utilizados e que serão abordados, os diodos retificadores, diodos Zener, diodos emissores de luz e fotodiodos.

Diodos Retificadores

Os diodos retificadores, como são conhecidos, são o modelo mais comum de diodos utilizados para PCBs, como, por exemplo, o diodo 1N4007. Eles são chamados assim pelo fato de serem capazes de conduzir uma corrente superior à dos outros modelos.

1n4007
Diodo 1N4007
Fonte: The Engineering Projects

Cada diodo tem uma tensão máxima na polarização direta (Vf), assim como uma tensão máxima de polarização reversa e de bloqueio (Vbr). Essas informações podem ser encontradas no datasheet do componente e são cruciais para a escolha do componente que deverá ser usado em seu projeto.

Diodo Zener

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Diodos Zener
Fonte: Frank's Hospital Workshop

Diodos Zener possuem um funcionamento e propósito um pouco diferente de outros modelos, já que eles foram feitos para trabalhar em polarização reversa para alcançar o quadrante de quebra, que é denominada tensão Zener.

O diodo Zener possui uma curva característica muito similar à dos outros modelos de diodo, porém eles são fabricados para trabalhar especificamente em sua zona de ruptura. Quando polarizados inversamente, esses diodos são capazes de manter a tensão sobre seus terminais praticamente constante (denominada tensão Zener). Entretanto, caso a corrente que flui por ele seja muito elevada, o componente tende a ser destruído.

Os diodos Zener são subdivididos de acordo com sua tensão Zener e a potência máxima. Por exemplo, um diodo com tensão Zener de 5,1 V e com potência de 1,3 W suporta uma corrente de até 250 mA para manter a tensão de 5,1 V em seus terminais.

Light-Emitting Diode

Diodos emissores de luz, mais conhecidos como Light-Emitting Diodes, os famosos LEDs, são um dos, senão o modelo de diodo mais conhecido na eletrônica.

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Modelos de LEDs
Fonte: Wikipedia

Você já parou para pensar como o LED emite luz? Basicamente o LED possui o mesmo princípio de funcionamento de outros diodos, ou seja, utilizar semicondutores dopados para a movimentação de elétrons. Entretanto, quando polarizado diretamente, a corrente elétrica que passa pelo LED é parcialmente usada para emitir fótons, transformando energia elétrica em energia luminosa. Esse processo é conhecido como eletroluminescência. A imagem abaixo demonstra como é feita a montagem de um LED para trabalhar com a junção PN.

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Construção de um LED
Fonte: 1000Bulbs

A cor do LED é definida através do material utilizado como semicondutor, ou pela reação ocorrida entre diferentes semicondutores. Além disso, alguns LEDs costuma utilizar um encapsulamento difuso para melhorar a definição de cor da luz emitida.

LED RGB

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Pinos do LED RGB
Fonte: LearnSparkfun

LEDs RGB são diodos emissores de luz com 3 LEDs comuns internos, nas cores vermelha (Red - R), verde (Green - G) e azul (Blue - B). Assim como os LEDs comuns, o LED RGB possui polaridade, sendo ele ânodo ou cátodo comum, como na imagem abaixo.

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Circuitos de LEDs RGB

As cores emitidas podem ser misturadas de modo a gerar uma cor secundária ou terciária, apenas combinando a intensidade de luz e a soma de cores.

Fotodiodos

IR
Emissor e Receptor IR

Fotodiodos trabalham com o mesmo princípio de diodos emissores de luz, entretanto, de maneira inversa, onde eles são polarizados de acordo com a entrada de sinal luminoso. Normalmente são utilizados sinais infravermelhos para poder enviar sinais modulados. Um exemplo muito comum de um fotodiodo é o receptor IR.

O sinal de um emissor IR pode ser modulado ou não, ou seja, ele pode ser apenas um sinal contínuo para simular uma barreira, ou um sinal com uma frequência específica, para enviar uma informação. O emissor trabalha da mesma maneira que LEDs, porém são emitidas luzes infravermelhas não visíveis ao olho humano. O fotodiodo, por sua vez, possui um comportamento oposto ao dos LEDs, uma vez que, para ser polarizado, o mesmo deve receber um sinal luminoso. Um bom jeito de observar essa diferença é nos seus respectivos símbolos em esquemas elétricos, como na imagem abaixo.

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Símbolo do Fotodiodo em Esquemas Eletroeletrônicos
Fonte: All About Circuits

Na imagem acima e à esquerda, temos o símbolo do LED, onde é indicado por duas setas "saindo" do diodo que esse é um diodo emissor de luz. Em contrapartida, à direita temos o símbolo do fotodiodo, que indica através de duas setas "entrando" no diodo que o mesmo necessita de um sinal luminoso para ser polarizado.

Aplicações

Diodo de Flyback

Diodos de flyback, ou freewheeling, como são conhecidos, são muito utilizados para acionamento de cargas indutivas, como, por exemplo, motores. Eles são utilizados em paralelo com a carga acionada, como na imagem abaixo.

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Circuito do Diodo de Flyeback
Fonte: ElectronicsHub

O diodo de flyback é utilizado para evitar picos de corrente e corrente reversa durante a reversão ou desacoplamento da carga indutiva, como na imagem abaixo.

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Circuito do Diodo de Flyeback em Desacionamento
Fonte: ElectronicsHub

Regulador de Tensão

O diodo Zener, por sua característica, pode ser utilizado como um regulador tensão de acordo com as suas especificações. Para isso, é necessário polarizá-lo em modo reverso em série com um resistor, para limitar a corrente nos terminais do diodo. Abaixo segue uma imagem de exemplo de como montar um circuito para trabalhar com esta aplicação.

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Circuito Eletrônico para Diodo Zener como Regulador de Tensão
Fonte: Electronics Tutorials

Como é possível observar na imagem acima, a tensão entre os terminais do diodo, ou seja, a tensão de saída do regulador, é igual à tensão Zener, que pode variar de acordo com o modelo do diodo, podendo ser, por exemplo, 5 V. O resistor do circuito ("Rs"), deve ser calculado de acordo com a potência, a corrente mínima e a tensão Zener do diodo para alcançar o quadrante de ruptura.

Display 7 Segmentos

Embora o display de 7 segmentos seja um componente, ele pode ser considerado como uma aplicação para os diodos emissores de luz, os famosos LEDs, já que, para cada segmento/barra, existe um LED para iluminar e marcar o espaço desejado, como é possível observar na imagem a seguir.

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Display 7 Segmentos Cátodo Comum
Fonte: Circuit Digest

Os displays de 7 segmentos são utilizados para exibir informações numéricas, de maneira simples, para um usuário.

Controle Remoto de TV

Controles remotos são a aplicação mais comum para emissores infravermelhos. Os emissores infravermelhos se encontram, normalmente, na parte frontal de controles remotos, como na imagem abaixo, para poder enviar os sinais de cada botão para o receptor.

controle
Emissor Infravermelho em Controle Remoto
Fonte: CableWholesale

Já receptores de sinais infravermelhos modulados, como o fotodiodo, têm a função de interpretar o sinal luminoso enviado pelo emissor, e traduzir esse sinal em pulsos elétricos que sejam compreendidos pelo sistema da televisão, por exemplo. A imagem a seguir demonstra como é enviado o sinal modulado, e como o mesmo é traduzido em pulsos.

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Exemplo de Sinais Infravermelhos
Fonte: LearnParallax

Conclusão

Neste tutorial vimos uma breve introdução sobre semicondutores e a importância dos diodos em diversos circuitos e aplicações, bem como sua construção e sua curva característica.

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