Eletrônica Analógica: Diodos

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Eletrônica Analógica 
Semicondutores - Diodos 
Semicondutores 
 
 Atualmente observamos uma evolução 
muito acelerada dos equipamentos 
eletrônicos de forma geral, estando estes 
cada vez com mais funções, com alto grau 
de confiabilidade e cada vez mais 
compactos. Toda esta evolução só foi 
possível com a descoberta e manipulação 
dos materiais semicondutores do qual dão 
origem a diversos componentes eletrônicos. 
Materiais Semicondutores 
 Materiais semicondutores são aqueles que 
possuem a capacidade de conduzir ou isolar 
a corrente elétrica dependendo de como 
estes estão organizados quimicamente 
como o carbono (C) que se apresenta na 
forme de isolante quando este tem uma 
estrutura molecular cristalina (Diamante) e 
como condutor quando tem a forma 
molecular triangular (Grafite). 
 
 
 Os materiais considerados semicondutores 
se caracterizam por possuírem quatro 
elétrons (tetravalente) na ultima camada 
como no caso dos átomos de silício e de 
gerânio que deram origem aos materiais 
semicondutores. 
 
 
 
 Os átomos que possuem quatro elétrons na 
última camada tendem a se agrupar 
formando uma estrutura cristalina, fazendo 
com que cada átomo se recombine com 
quatro outros e um elétron pertença a dois 
átomos de núcleos diferentes (ligação 
covalente) dando a este a característica de 
isolante. 
 Dopagem 
 
 A dopagem de um material consiste em 
depositar impurezas em uma substancia 
cristalina pura tais como o germânio e o 
silício, tendo esta a finalidade de tornar o 
material um condutor. A forma como este 
material irá conduzir a corrente elétrica 
depende do tipo de impureza e de suas 
respectivas quantidades. 
Cristal do Tipo N 
 Os cristais do tipo N são criados quando 
durante o processo de dopagem são 
introduzidos nas estruturas cristalinas 
materias com mais de quatro elétrons na 
ultima camada como no caso do fósforo (P) 
que é um material pentavalente formando 
uma estrutura cristalina do tipo N, pois dos 
cincos elétrons externo do átomo do fósforo, 
apenas quatro elétrons se recombinam com 
os dos cristais ficando um livre, formando 
desta maneira um cristal do tipo N. 
 
 Neste cristal a corrente elétrica se conduz por 
meio de cargas negativas conforme figura. 
Cristal do Tipo P 
 
 
 A aquisição de um cristal do tipo P se dá 
com a introdução de átomos com três 
elétrons na ultima camada, ou seja, 
trivalente, dando origem ao cristal do tipo P. 
 
 O átomo de índio (in) é um exemplo de impureza 
que é introduzido nos materiais tetravalente para a 
formação do cristal do tipo P. 
 
 Quando os átomos de índio são introduzidos em 
uma estrutura cristalina tetravalente pura estes se 
combinam ficando um dos elétrons livres sem 
combinar, formando desta forma uma lacuna, 
criando uma estrutura cristalina positiva. 
Diodos 
 
 
 Vimos anteriormente a criação de cristais do 
tipo N e P através da dopagem destes, 
agora iremos estudar a junção destes dois 
cristais que darão origem aos diversos 
componentes eletrônicos semicondutores. 
 
 
 
 Daremos inicio a esse estudo analisando o 
primeiro componente que utilizou as estruturas 
cristalinas semicondutoras principalmente para a 
retificação de corrente (transformar CA em CC) e 
que deu origem a vários outros que auxiliaram no 
avanço das tecnologias eletroeletrônicas. 
 
 
 O diodo é um elemento semicondutor composto 
por duas pastilhas de semicondutores, uma de 
cristais do tipo P chamada de anodo (A) e a outra 
de cristais N denominada catodo (K) dando origem 
a uma junção PN. 
 
 Após a junção das pastilhas, um processo 
de acomodação química que faz com que 
alguns elétrons livres do material N migrem 
para a região P recombinando com as 
lacunas deste material. O mesmo ocorre 
com as lacunas do material P que se 
recombinam com os elétrons livres do 
material N. 
 
 Devido a este processo de recombinação surge na 
região da junção uma área onde não há 
portadores de carga, pois estes estão 
neutralizados, essa região é denominada área de 
depleção que consequentemente dará origem a 
barreira de potencial que irá variar de acordo com 
o tipo de material. 
 
 Nos doidos de Germânio (Ge) a barreira de 
potencial é de aproximadamente 0,3Volts e nos de 
Silício (Si) de 0,7 Volts. 
Polarização Direta do Diodo 
 A polarização direta ocorre quando o 
terminal positivo da fonte de alimentação 
encontra-se ligada ao lado P (Anodo) e o 
terminal negativo ao lado N (Catodo) do 
diodo. 
 
 Desta forma o pólo positivo da fonte repele as 
lacunas do terminal P em direção ao terminal N, e 
o pólo negativo da fonte repele os elétrons do 
terminal N em direção ao terminal P do diodo. 
 
 Se a tensão da fonte for maior que a barreira de 
potencial do diodo, os elétrons irão romper esta 
barreira e irão se recombinar com as lacunas, pois 
são atraídos pelo terminal positivo da fonte, 
surgindo então uma corrente elétrica de alta 
intensidade, fazendo com que o diodo 
semicondutor se comporte como um condutor. 
Polarização Reversa do Diodo 
 
 A polarização reversa ocorre quando o 
terminal negativo da fonte encontra-se 
ligado do lado P (Anodo) e o terminal 
positivo do lado N (Catodo) do diodo. 
 
 Desta forma os elétrons do lado N são atraídos 
pelo pólo positivo da fonte e as lacunas do lado P 
pelo pólo negativo da fonte. Com isso formam-se 
mais íons positivos do lado N e íons negativos do 
lado P do diodo, aumentando a camada de 
depleção e consequentemente a barreira de 
potencial. 
 
 A barreira de potencial aumenta até que sua 
diferença de potencial se iguale a tensão da fonte. 
Desta forma os portadores majoritários de cada 
lado do diodo(lacunas no lado P e elétrons no lado 
N) não circulam pelo circuito, comportando-se 
portanto como um circuito aberto ou uma 
resistência altíssima. 
Curva Característica do Diodo 
 Observa-se na curva característica do diodo que para 
tensão negativa (Polarização reversa) a corrente é 
praticamente nula, caracterizando-se uma resistência 
elétrica muito alta, sendo esta limitada pele tensão de 
ruptura (VBr). 
 Para tensões positivas (Polarização direta), até Vy a 
corrente é baixa, mas acima de Vy, ela passa a ser 
bastante alta, caracterizando-se uma resistência elétrica 
baixa, sendo esta corrente elétrica limitada por IDM 
(Corrente direta máxima que o diodo suporta). 
 
 O diodo possui algumas características e limitações 
que são especificadas de acordo com o fabricante, 
sendo as principais: 
 
 1° - Como a junção PN possui uma barreira de 
potencial natural (Vy), na polarização direta só existe 
corrente elétrica se a tensão aplicada ao diodo VD 
(Tensão direta máxima que o diodo suporta) for 
maior ou igual à Vy. 
 
 2° - Na polarização direta a potencia máxima que o 
diodo pode dissipar (PDM) se dá em função da 
tensão e corrente máxima (VD e IDM) que ele pode 
conduzir. 
 
PDM = VD x IDM 
 
 3° - Na polarização reversa existe uma 
tensão reversa máxima que o diodo suporta 
denominada tensão de ruptura ou 
breakdown voltage (VBR). 
 
 4° - Na polarização reversa existe uma 
corrente reversa muito pequena 
denominada corrente reversa (IR). 
Circuitos Retificadores 
 A maioria dos aparelhos eletrônicos funciona 
com corrente contínua, porem nossas 
residências são alimentadas em corrente 
alternada, havendo, no entanto a 
necessidade de transformá-la. Para isso 
precisamos de um circuito retificador. 
 
 Neste tópico iremos estudar os circuitos 
retificadores de meia onde e de onda 
completa. 
Retificador de Meia Onda 
 
 Este é o mais básico dos retificadores, sendo 
composto por um diodo em série com a carga RL. 
 Este tipo de retificador aproveita apenas um 
semiciclo da senoide que alimenta a carga. 
 
 Durante o primeiro semiciclo (positivo) o 
diodo encontra-se polarizado diretamente,possibilitando a passagem da corrente para 
a carga, ou seja, tensão de saída igual a 
tensão de entrada. Porém na passagem do 
segundo semiciclo (negativo) o diodo 
encontra-se polarizado inversamente, ou 
seja, em corte impossibilitando a passagem 
da corrente para a carga, ou seja, tensão de 
saída nula, pois a tensão de entrada recai 
toda sobre o diodo. 
 
 A tensão de saída neste tipo de retificador é 
contínua, porém pulsante devido a 
existência e ausência de tensão sobre a 
carga. Devido a essas oscilações na tensão 
este tipo de circuito é utilizador para 
alimentar cargas que não exijam um controle 
muito grande nas variações de tensão, tais 
como carregadores de bateria. 
 
 Como a forma de onda sobre a carga não é mais 
senoidal, embora a frequência seja a mesma, o 
valor médio deixa de ser nulo, podendo ser 
calculada através da equação: 
 Onde: 
 
• Vm – Valor médio na fonte 
 
• Vp – Valor de pico da fonte 
 
• Vy – Barreira de potencial do diodo (dependem do 
material – Silício=0,7V e Germânio=0,3V). 
 
 
 O valor de pico da fonte é encontrado através da 
equação do valor eficaz (Vrms), onde: 
 
 Obtendo-se o valor médio da tensão no circuito 
podemos calcular a corrente média utilizando-se a 
lei de ohm. 
 
 
 
 Através destas equações podemos determinar os 
parâmetros necessários do diodo de acordo com 
as características do circuito, onde o valor médio 
da corrente no diodo será maior ou igual ao valor 
médio calculado (IDM ≥ IM) e a tensão máxima 
que o diodo suporta será maior ou igual ao valor 
de pico no secundário da fonte (VBR ≥ Vp). 
Retificador de Onda Completa 
com Derivação Central 
 
 
 O retificador de onda completa faz com que 
tanto o semiciclo positivo como o negativo 
caiam sobre a carga sempre com a mesma 
polaridade. 
 
 
 O retificador de onda completa com derivação 
central recebe este nome por utilizar um 
transformador Center tape (derivação central) 
conforme figura abaixo. 
 
 Durante o semiciclo positivo, o diodo D1 conduz e 
o diodo D2 corta, fazendo com que a tensão sobre 
a carga seja positiva e igual à tensão do 
secundário superior. 
 
 Durante o semiciclo negativo, o diodo D1 corta e o 
diodo D2 conduz, fazendo com que a tensão 
sobre a carga seja igual a tensão do secundário 
inferior. 
 
 Como neste tipo de retificador o circuito 
aproveita os dois semiciclos, a frequência 
da tensão de saída dobra de valor, bem 
como a tensão média na carga. Porém 
como a tensão de pico na carga é a metade 
da tensão de pico no secundário do 
transformador, a tensão média final é a 
mesma que se obteria usando um retificador 
de meia onda com este mesmo 
transformador ignorando-se a derivação 
central. 
 Tensão Média na Carga. 
 
 Obtendo-se o valor médio da tensão no circuito 
podemos calcular a corrente média utilizando-se 
a lei de ohm. 
 
 Através destas equações podemos 
determinar os parâmetros necessários do 
diodo de acordo com as características do 
circuito, onde o valor médio da corrente no 
diodo será maior ou igual à metade do valor 
médio calculado ( IDM ≥ Im/2), pois cada 
diodo conduz corrente somente de um 
semiciclo e a tensão máxima que o diodo 
suporta será maior ou igual ao valor de pico 
no secundário da fonte ( VBr ≥ Vp ). 
Retificador de Onda Completa 
em Ponte 
 
 O circuito retificador em ponte (Figura) recebe 
este nome por utilizas uma ponte de diodo, tendo 
este algumas vantagens em relação aos 
anteriores estudados. 
 Durante o semiciclo positivo, os diodos D1 e D3 
conduzem transferindo toda a tensão de entrada 
para a carga(RL), enquanto os diodos D2 e D4 
cortam. 
 Durante o semiciclo positivo, os diodos D2 e D4 
conduzem transferindo toda a tensão de entrada 
para a carga(RL), enquanto os diodos D1 e D4 
cortam. 
 
 Como neste caso a frequência da tensão de saída 
dobra, a tensão média na carga também dobra, ou 
seja: 
 
 Este tipo de retificador é um dos mais 
utilizados devido a sua simplicidade e ao 
baixo custo, pois o retificador que utiliza o 
transformador com derivação central, para 
se obter o mesmo rendimento em função do 
valor médio da tensão, o transformador 
devera fornecer em seu secundário o dobro 
da tensão do transformador utilizado no 
retificador em ponte, sendo, portanto mais 
honroso se comparado com os dois diodos 
amais do circuito em ponte. 
 Obtendo-se o valor médio da tensão no circuito 
podemos calcular a corrente média utilizando-se a 
lei de ohm. 
 
 Em relação a especificação do diodo, como 
cada diodo conduz corrente somente em um 
semiciclo, a corrente que eles devem 
suportar corresponde a metade da corrente 
media na carga ( IDM ≥ Im/2). Quanto à 
tensão reversa, este deve suportar a tensão 
de pico do secundário ( VBr ≥ Vp ). 
Filtro Capacitivo 
 
 Como vimos, os circuitos retificadores 
transformam um sinal alternado em um 
sinal contínuo, porém pulsante. Para que 
esse sinal torne-se mais próximo de um 
sinal contínuo constante, faz-se necessário 
uma filtragem com capacitor. 
 
 A filtragem com capacitores é bastante 
utilizada nas fontes de alimentação que não 
exijam uma boa regulação, ou seja, podem 
possuir pequenas oscilações, tais como 
eliminador de baterias, carregadores de 
bateria, circuito de lâmpadas fluorescentes 
compactas entre outros. 
 
 Para explicar o principio do filtro capacitivo, iremos 
utilizar o circuito retificador de onda completa em 
ponte e o gráfico da forma de onda na saída do 
circuito. 
 
 Durante a retificação do primeiro semiciclo (Positivo), 
o capacitor (C) é carregado através dos diodos D1 e 
D3 até o valor de pico. Quando há a mudança para o 
segundo semiciclo (Negativo), a tensão retificada 
diminui, ficando os diodos polarizados reversamente, 
o que faz com que o capacitor se descarregue 
lentamente pela carga RL evitando que esta fique 
sem tensão de alimentação durante a mudança de 
ciclos. 
 
 Durante a retificação do segundo semiciclo 
(Negativo), o capacitor é novamente carregado 
através dos diodos D2 e D4 até o valor de pico. 
Quando ocorre a mudança para o terceiro 
(Positivo) semiciclo, a tensão retificada diminui, 
ficando os diodos D2 e D4 polarizados 
inversamente, o que faz com que o capacitor se 
descarregue lentamente pela carga RL. 
 
 A descarga do capacitor é lenta devido a 
constante RL.C, ou seja, quanto maior a 
capacitância do capacitor, mais cargas ele 
armazena consequentemente mais tempo 
levará para se descarregar sobre a carga. 
Quanto maior o valor da carga RL, maior 
resistência ao fluxo de elétrons, mais 
lentamente o capacitor irá se descarregar. 
 
 Ambos os casos aumentará a constante de tempo 
e diminuirá o valor do ripple. 
 O valor de pico a pico do ripple pode ser calculado 
pela equação: 
 Onde: 
 
• Vmf -Tensão Média na Carga Após a Filtragem; 
 
• F – Frequência da Ondulação (Depende do tipo de 
retificador); 
 
• RL – Resistência da Carga; 
 
• C – Capacitância 
 
OBS: Nos retificadores de onda completa a frequência 
do circuito dobra de valor. 
Díodo Zener 
 
 Para além da denominação Díodo Zener, é 
também conhecido por diodo de ruptura, diodo 
de tensão constante, díodo regulador de 
tensão ou diodo de condução reversa. 
 
 O díodo zener quando polarizado inversamente 
(ânodo a um potencial negativo em relação ao 
cátodo) permite manter uma tensão constante aos 
seus terminais (UZ) sendo por isso muito utilizado 
na estabilização/regulação da tensão nos circuitos. 
 
 O gráfico de funcionamento do diodo zener mostra 
que, diretamente polarizado (1º quadrante), ele conduz 
por volta de 0,7V, como um díodo comum. Porém, na 
ruptura (3º quadrante), o díodo zener apresenta um 
joelho muito pronunciado, seguido de um aumento de 
corrente praticamente vertical. 
 
 A tensão é praticamente constante, aproximadamenteigual a Vz em quase toda a região de ruptura. 
 
 Especificações do Diodo Zener: 
 
 Vy – Tensão de condução na polarização 
reversa (Vy = 0,7V) 
 
 Vz – Tensão zener (dada pelo fabricante) 
 
 
 
 Iz max – Corrente de zener máxima (dada pelo 
fabricante); 
 
Iz min ou Izk – Corrente de zener mínima, abaixo 
deste valor não regula; 
 
 OBS: Quando não for dado o valor de Izk, 
considera-se Iz min como sendo 10% de Iz max , ou 
seja: 
 
 Izm = 0,1 Iz max 
 
 
Pz max – Potência zener máxima (PZ max = VZ x IZ max) 
 
 
Nomenclatura Americana de Diodo Zener