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Diodo como um elemento de circuito

Diodos conduzem corrente em uma direção, mas não na outra. Conseguimos resolver um circuito diodo graficamente traçando uma curva i-v de diodo e resistor para encontrar a interseção. Escrito por Willy McAllister.
Esses pequenos bulbos de vidro contêm diodos de silício dentro deles. A faixa negra em uma extremidade indica o lado onde a corrente flui para fora do diodo.
O diodo é o nosso primeiro dispositivo semicondutor. A característica que diferencia o diodo é que ele conduz corrente em apenas uma direção. Não iremos entrar em detalhes de como um diodo faz isto, ou como ele é feito. Felizmente, você não precisa saber como fazer um diodo antes de usá-lo em um circuito.

Onde queremos chegar

A curva de i-v de um diodo é modelada pela seguinte equação não-linear:
i=IS(eqv/kT1)
  • Iremos definir termos como polarização direta, polarização inversa, e corrente de saturação.
  • Você irá aprender como identificar os terminais de um diodo real.
  • Iremos resolver um circuito com diodo utilizando um método gráfico.

Símbolo do diodo

O símbolo esquemático usado para representar um diodo é parecido com este:
A seta preta ▶ no símbolo do diodo aponta na direção da corrente direta do diodo, i, a direção na qual o fluxo de corrente passa. A tensão no diodo, v, é orientada com o sinal + no terminal onde a corrente direta entra no diodo. Usamos a convenção de sinais para componentes passivos. A seta curva laranja, opcional, também indica a polaridade da tensão.

Curva de i-v do diodo

Esta é uma curva i-v típica de um diodo de silício. O diodo é um dispositivo não-linear:
A curva de i-v de um diodo de silício. Uma tensão positiva significa que o diodo está com polarização direta. Uma tensão negativa significa que o diodo está operando com polarização reversa.

Corrente direta e inversa

Corrente direta

Vamos colocar uma pequena tensão positiva, +0,2 volts, em um diodo de silício. Isso nos coloca no lado direito da curva de i-v. Com esta pequena tensão positiva, quase nenhuma corrente direta flui. Quando a tensão aumenta até em torno de 0,6V uma corrente mensurável começa a fluir no diodo no sentido direto. À medida que a tensão se move um pouco acima de 0,6V, a corrente através do diodo sobe rapidamente. A curva de i-v é quase vertical neste momento (ela pende um pouco para a direita).
Com uma tensão positiva em seus terminais, dizemos que o diodo está em polarização direta. Um diodo está em polarização direta quando sua tensão está em qualquer parte do lado + da origem. Em operação normal, a tensão através de um diodo de silício em polarização direta é algo entre 0,600,75V. Se você forçar externamente a tensão para valores superiores a 0,75 volts, a corrente através do diodo fica muito grande e ele pode superaquecer.

Corrente inversa

Se você aplicar uma tensão negativa no diodo, de forma que o terminal esteja em uma tensão mais alta do que o terminal +, isso nos colocará no lado esquerdo da curva i-v. Dizemos que o diodo está em polarização inversa. Na direção inversa, a corrente está muito próxima de zero, quase sempre apenas ligeiramente negativa, abaixo do eixo de tensão.
Um diodo polarizado inversamente não pode resistir para sempre. Quando a tensão atinge um valor negativo elevado conhecido como a tensão de ruptura, VBR, o diodo começa a conduzir na direção inversa. Na ruptura, a corrente aumenta bruscamente a se torna muito elevada na direção negativa. Uma tensão de ruptura VBR de 50V é típica de diodos normais. Na maioria das vezes você não permite que o diodo chegue perto de VBR.

Terminais do diodo

Quando você desenha diodos, o símbolo esquemático claramente indica a direção do fluxo de corrente direta. Você realmente não precisa de nomes para os dois terminais. Mas, se você estiver lidando com diodos reais para construir um circuito, você tem que descobrir como direcionar o diodo. Diodos reais são tão pequenos que não há espaço para pintar um pequeno símbolo de diodo neles, então você precisa identificar os terminais de outra maneira.
Os dois terminais de um diodo são o anodo e o catodo.

Como vou saber quem é anodo e catodo?

Por muito tempo eu não conseguia me lembrar qual lado do diodo se chamava anodo e qual se chamava catodo, eu consultava todas as vezes. Finalmente, eu criei esse pequeno mnemônico. A palavra alemã para o cátodo é Kathode. O K maiúsculo se parece com o símbolo do diodo.
Vire o símbolo do diodo até que ele se pareça com um K. O Kathode é o terminal no lado esquerdo.

Identificando os terminais de um diodo real

Diodos são feitos em pequenas pastilhas de silício. Eles são fornecidos em todo tipo de pequenos encapsulamentos. Existem algumas maneiras diferentes para indicar qual é o terminal do diodo.
Encapsulamentos de diodos tais como os cilindros de vidro e plástico preto mostrados acima geralmente têm um barra pintada perto de uma extremidade. A barra pintada no encapsulamento é a barra do símbolo do diodo, e ela indica o catodo.
A lista (qualquer cor contrastante) corresponde ao cátodo do diodo.
Este LED (diodo emissor de luz) vermelho tem terminais de diferentes comprimentos. A corrente direta entra no terminal mais longo (anodo). O encapsulamento pode ter uma saliência ou aba ressaltada no lado da corrente direta.
O fio metálico mais longo corresponde ao anodo do díodo.

Identificar o anodo e o catodo com um medidor

Uma boa maneira de verificar a identidade dos terminais é usando um ohmímetro para descobrir a direção da corrente direta. Com o multímetro ajustado para resistência, Ω, ele aplica uma pequena tensão em seus terminais de teste (é por isso que o ohmímetro precisa de uma bateria). Você pode usar essa pequena tensão para ver em qual direção a corrente flui.
O diodo é virado em cada imagem. Se o ohmímetro lê uma resistência finita, isso significa que o diodo está conduzindo uma pequena corrente na direção direta, e o terminal de fio vermelha + do medidor está conectado no anodo. Se a resistência lida é O.L (do inglês 'overload' que significa sobrecarga), o diodo não está conduzindo corrente. Isso significa que a terminal do fio vermelho + está conectado no catodo.
Seu medidor pode possuir uma configuração para diodo, um símbolo pequeno de diodo. Se tiver, ele irá exibir a tensão direta quando o terminal vermelho estiver tocando o terminal de corrente direta (o anodo), como mostrado abaixo.

Equação i-v do diodo

A relação de i-v do diodo pode ser modelada com uma equação. Esta equação baseia-se na física inerente à ação do diodo, juntamente com medições cuidadosas em diodos reais.
i=IS(eqv/kT1)
A curva i-v para uma diodo típico de silício.
O gráfico acima não se parece muito com uma curva exponencial, e a corrente para tensões negativas parece ser 0. Se expandirmos bastante a escala da corrente (milliamperes picoamperes) a forma exponencial se torna aparente (a escala da tensão é expandida também). Você pode ver que uma pequena corrente negativa, iS, flui quando o diodo está em polarização inversa:
iS é a corrente de saturação. Esta corrente flui para trás quando o diodo está polarizado inversamente. Um valor típico para iS em silício de é 1012A, (1 picoampere). Para diodos de germânio, um valor típico para iS é 106A, (1 microampere).
É melhor pensar nessa equação do diodo como um modelo de um diodo, ao invés de uma lei. A equação representa um diodo ideal abstrato. O comportamento real depende de como o diodo é feito, sua temperatura, e o quanto você se importa com os detalhes.

Análise detalhada da equação de i-v do diodo

[Esta parte analisa a equação do diodo em mais detalhes. Você não precisa saber disso para usar um diodo em um circuito. Sinta-se a vontade para pular para o exemplo].
Existem muitos novos parâmetros na equação do diodo. Vamos examiná-los cuidadosamente.
i=IS(eqv/kT1)
v é a tensão através do diodo. Nós a encontramos no expoente de uma expressão, o que explica por que a corrente i tem uma dependência exponencial em relação à tensão v.
Agora vamos analisar todos aqueles outros termos no expoente de eqv/kT.
Sabemos que expoentes são adimensionais, de forma que os outros termos no expoente precisam acabar com unidades de 1/v.
q é a carga de um elétron, em coulombs:
q=1,602×1019C.
k é a constante de Boltzmann, um número muito importante na física. A energia de uma partícula aumenta com a temperatura. Se você sabe a temperatura de uma partícula, k diz quanta energia cinética uma partícula possui pelo simples fato de estar em uma temperatura diferente de zero Kelvin. As unidades da constante de Boltzmann são energia por kelvin.
k=1,380×1023J/K(joules por kelvin)
T é a temperatura medida a partir do zero absoluto em Kelvin ou K. Uma temperatura de zero absoluto, ou 0K equivale a 273C(celsius).
Se uma partícula está a uma temperatura T=300K, (temperatura ambiente), então ela tem uma energia:
kT=1,380×1023J/K300K=4,14×1021J
Se a nossa partícula é um elétron, ela tem uma carga conhecida, e podemos falar da sua energia por carga. Energia por carga pode soar familiar. Seu outro nome é tensão.
kTq=4,14×1021J1,602×1019C=25,826mV
À temperatura ambiente (em torno de 300K), kT/q é 26 millivolts. Essa é a energia de um elétron comum. O expoente da equação do diodo, v/26mV, está comparando a tensão do diodo com a energia de um elétron comum.
Se você quiser, você pode escrever a equação de diodo para temperatura ambiente como:
i=IS(ev/26mV1)
Esta equação não-linear do diodo i-v é mais difícil de tratar do que as equações lineares i-v para R, L, e C. Há muitos poucos casos em que será exigido que você use esta equação para encontrar uma solução analítica. A abordagem usual para circuitos de diodo é realizar uma solução gráfica ou usar um programa de simulação de circuito para obter uma resposta aproximada.

Exemplo de circuito com diodo

Vamos construir um circuito com um diodo. Este circuito tem um diodo emissor de luz verde (LED).
O resistor e o diodo compartilham a mesma corrente, i. Queremos encontrar i e a tensão que aparece através do diodo, vD.
Todos os elementos compartilham a mesma corrente, então vamos nos concentrar nas equações para a corrente.
Para o diodo, obtemos a corrente i em função de vD a partir da equação do diodo à temperatura ambiente:
i=IS(evD/26mV1)
Para o resistor, se pudermos inventar uma equação para i em função de vD, poderemos traçar essa equação no mesmo gráfico i-v como o diodo. A Lei de Ohm para o resistor é:
i=vR330Ω
Sabemos que vR=3VvD, e assim a corrente no resistor se torna:
i=3VvD330Ω
Eu vou reorganizar a equação para que se ela se pareça com a equação da geral da reta na forma (y = ax+b):
i=1330ΩvD+3V330Ω
i=1330ΩvD+9mA
A inclinação da linha de carga do resistor é 1330.
Ela cruza o eixo i em 9mA.

Solução gráfica

Agora temos duas equações simultâneas com duas incógnitas, i and vD:
i=1330ΩvD+9mA
i=IS(evD/26mV1)
Podemos resolver estas duas equações por um método gráfico, plotando-as na mesma escala, e ver onde elas se cruzam. No ponto onde elas se cruzam, a corrente no resistor é igual a corrente no diodo.
Solução gráfica para o circuito resistor-LED. A linha azul é um gráfico da equação de diodo. A linha verde é um gráfico da equação da "linha de carga" do resistor. O ponto onde duas linhas se cruzam é onde as correntes no diodo e resistor são as mesmas.
Obtemos uma resposta bastante precisa lendo o ponto de intersecção do gráfico:
vD=0,6V e i=7,2mA
Obter os valores a partir do gráfico é muitas vezes o que você precisa em termos de precisão.

Verificação do conceito

problema 1
Qual é a corrente quando a tensão diodo vD é 0?
i=
mA

problema 2
Qual é a tensão quando a linha de resistor toca o eixo-v? (i=0)
v=
V

problema 3
O ponto onde a linha do resistor cruza o eixo i depende do valor de R?
Escolha 1 resposta:

problema 4
O ponto onde a linha do resistor cruza o eixo v depende do valor de R?
Escolha 1 resposta:

Melhor ainda

Suponha que você construa este circuito e o LED não seja brilhando o suficiente. O brilho aumenta se você aumentar a corrente. Como você pode fazer isso?
Tente mudar alguma coisa no circuito para aumentar a luminosidade. Em seguida esboce uma nova solução gráfica.
Suponha que chegamos ao brilho máximo eliminado o resistor do circuito. Esta é uma boa ou uma má ideia?
Imagine como a reta de carga da resistência muda na medida que a resistência do resistor vai de 200Ω para 0Ω.

Se tivessemos usado uma curva i-v do LED

Se tivéssemos resolvido este problema com uma curva i-v para um LED com uma tensão direta de 2V, a solução seria algo como:
Um LED típico fornece uma luz razoável com uma corrente de cerca de 20mA. Para obter essa corrente você ajusta a inclinação da reta de carga do resistor até que o ponto de intercessão esteja na corrente que você quer. Em seguida obtenha o valor do resistor a partir da inclinação. A inclinação da reta de carga do resistor é 1R.
Um resistor de valor padrão de 47Ω resulta num valor próximo do alvo de 20mA. É claro que o valor do resistor será diferente se você tem uma alimentação de tensão diferente.
A maioria das características técnicas dos LED nos dão uma especificação de tensão direta, mas não dão uma equação para a curva do diodo como eu mostrei no gráfico acima. É permitido aproximar o diodo com uma linha reta vertical no valor da tensão direta. Você vai obter uma solução gráfica bem razoável.

Resumo

O símbolo esquemático e os nomes dos terminais para um diodo:
A equação do diodo é:
i=IS(eqv/kT1)
IS é a corrente de saturação. Para o silício, IS=1012A é um valor típico.
No expoente da equação do diodo, o termo kT/q é equivalente a 26mV se o diodo está à temperatura ambiente. k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura em graus Kelvin, e q é a carga de um elétron em coulombs. Se o diodo está perto da temperatura ambiente, a equação do diodo pode ser escrita como:
i=IS(ev/26mV1)
Demonstramos uma solução gráfica para um circuito com diodo, e obtivemos uma resposta muito boa, sem muito trabalho. Em geral, soluções gráficas são uma boa maneira de resolver qualquer circuito com um elemento não-linear.

Adendo: Tipos de diodos

Existem muitos tipos de diodos, feitos com diferentes materiais e técnicas de processamento e especializados para diferentes usos. Aqui estão alguns:
  • Diodo de Silício - O silício é o material mais usado para fazer diodos. O silício tem uma tensão direta típica de 0,60,7V.
    • Diodo de Germânio - Feito de um elemento diferente. Diodos de germânio têm uma tensão direta menor de 0,250,30V.
  • Diodo Schottky - Feito de um contato silício - metal. A tensão direta é menor que a de um diodo de silício normal, em torno de 0,150,45V.
  • Diodo Zener - Operado propositadamente na região de ruptura, usado como uma referência de tensão.
  • LED (diodo emissor de luz) - Faz o que diz o nome. Além disso ele funciona como um diodo de silício normal. Os LEDs são feitos combinando-se materiais vizinho do Silício na tabela periódica. Por exemplo, um LED amarelo pode ser feito a partir do fosforeto arsenieto de gálio (GaAsP).
  • Fotodiodo - Esse diodo tem uma janela que deixa a luz chegar diretamente na superfície do silício. A corrente no diodo é proporcional à intensidade da luz. As células solares são um tipo de fotodiodo.
  • Diodo de pequenos sinais ou de comutação - Um diodo de silício construído para ser muito rápido ao ir da polarização direta para a reversa (e vice versa). Isso é feito construindo-se o diodo muito pequeno fisicamente.

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