O Diodo

Publicado: 14 de outubro de 2010 em Componentes

No artigo sobre como se acende um LED acabei por falar de díodos. Disse que o LED tem um ánodo e um cátodo, o qual causa uma queda de tensão de um certo valor, que é polarizado e mostrei o seu símbolo eléctrico. Tudo isto se aplica a um díodo comum, com pequenas variações: a queda de tensão provocada por um díodo comum é de aproximadamente 0.7 V, e o símbolo é muito parecido com o do LED, só não tendo as 2 “ondas” (que representam a luz que sai do LED). No símbolo mais comum do LED, estas ondas são apenas setas retas, e tem uma bola em redor.

D�odo e LED

Caracteristicas do diodo:

Só conduz corrente eléctrica num sentido, do ánodo para o cátodo.

Só começa a conduzir corrente quando a tensão aplicada é igual ou superior a 0.7 V.

Quando conduz corrente, causa uma queda (redução) de tensão de 0.7 V.

 

1. Só conduz corrente eléctrica num sentido, do ánodo para o cátodo.
A melhor forma de perceber é utilizar um LED como exemplo, e vou utilizar o mesmo circuito do artigo sobre como acender LEDs. A figura abaixo mostra 2 versões desse circuito. A versão à esquerda é a habitual, que usamos para acender o LED; a corrente, a vermelho tracejado, circula do ponto positivo da fonte para o negativo, e o LED deixa passar essa corrente, acendendo. No circuito à direita, o LED está ligado “ao contrário”, e desta forma impede a corrente de circular; o LED mantém-se apagado. Portanto o LED só deixa passar a corrente eléctrica num sentido, do ánodo para o cátodo tal como acontece no circuito da esquerda: a corrente entra pelo ánodo e sai pelo cátodo! Repare-se como o símbolo do próprio díodo é uma seta que aponta no sentido em que deixa passar a corrente.

O Led (d�odo) como válvula unidireccional

Muitas vezes é feita uma comparação da corrente eléctrica a circular num circuito com a água a circular em canos. É possível ter num cano de água um dispositivo semelhante a um díodo:

Analogia com a água

As 2 portas, a castanho, abrem-se facilmente empurradas pela força da água, deixando-a passar, desde que a água circule da direita para a esquerda (por exemplo empurrada por uma bomba de água). Se ela vier da esquerda, então vai empurrar as portas de tal modo que estas fecham-se, impedindo a água de continuar a fluir para a direita. Um díodo faz a mesma coisa.
Outras analogias são as veias do nosso corpo, que têm válvulas que deixam passar o sangue apenas num sentido, e também os “pipos” das camaras de ar dos pneus, que apenas deixam passar o ar de fora para dentro (quando estamos a encher). São ambos exemplos de “díodos”, noutros domínios.

2. Só começa a conduzir corrente quando a tensão aplicada é igual ou superior a 0.7 V.
Esta característica é bastante auto-explicativa. Se a tensão da fonte que fornece energia ao circuito for inferior 0.7 V, o díodo não se deixa atravessar por corrente. Ele apresenta-se como um circuito aberto, tal como se tivessemos ligado o díodo ao contrário. Digamos que 0.7 V é a tensão mínima para que o díodo comece a funcionar. E isto leva-nos à última característica.

3. Quando conduz corrente, causa uma queda (redução) de tensão de 0.7 V.
Se voltarmos à analogia com a água e à figura do canal de água mais acima, podemos pensar que alguma da força da corrente da água é gasta a abrir e manter as portas abertas. Podemos pensar na força da água como sendo a tensão (força electromotriz), e assim a analogia completa-se. Se formos medir a tensão nos pinos de um díodo quando este está a conduzir corrente, vamor medir aproximadamente os 0.7 V, tal com nos circuitos com LEDs (mas neste caso a tensão depende da cor do LED).

Ok… então se os LEDs dão luz, o díodo comum faz o quê? Bom, os díodos começaram por ser utilizados como componentes rectificadores. Muito informalmente, rectificar é transformar um sinal AC num sinal DC. Num sinal AC a tensão varia entre valores negativos e valores positivos, e a sua aplicação a um díodo elimina uma metade do sinal, a metade positiva ou a metade negativa dependendo da forma como o díodo é ligado. No circuito abaixo temos uma fonte de tensão de 5 V AC, que é rectificada por um díodo que lhe remove a metade negativa do sinal, ficando uma tensão DC. O gráfico mostra o valor da tensão no ponto AC (a verde) e no ponto DC (a azul).

O d�odo como rectificador

Deve ter reparado na diferença de amplitude entre as 2 tensões… consegue adivinhar a que se deve? Sim? Não? E se eu te disser que essa diferença é de 0.7 V, ajuda  ? Pois é, é preciso não esquecer que o díodo causa uma queda de tensão de 0.7 V. A rectificação é usada por exemplo em receptores de rádio e fontes de conversão AC-DC (como um carregador típico de bateria de celular, que converte os 220 V AC da rede em 4 ou 5 V DC).

Humm… e é só para isso que o díodo serve? Não, na verdade, as utilizações do díodo estão apenas limitadas pela nossa imaginação! Mas exemplos típicos de utilização são: conversores DC-DC comutados, como referências de tensão baratas, como redutores de tensão, e para impedir que a ligação acidental de fontes de tensão “ao contrário” causem danos em equipamentos, entre outros. Em tempos também foram usados em electrónica digital, como portas digitais e na construção de memórias ROM. Acho que vale a pena falar um pouquinho mais acerca de algumas das utilizações típicas.

Imagina que tem um aparelho que é muito sensível e caro (por exemplo um auxiliar de audição), e portanto quer protegê-lo de vários tipos de acidentes. Um dos acidentes que pode acontecer é o utilizador do aparelho colocar as pilhas ao contrário por distração ou porque não leu o manual como deve ser. Uma forma de efetuar essa proteção é exactamente colocar um díodo em série com a fonte de alimentação (as pilhas).

Protecção contra inversão da tensão de alimentação

Como o díodo só conduz corrente eléctrica num sentido, se as pilhas forem colocadas ao contrário o díodo “barra” a passagem da corrente e não acontece nenhuma desgraça ao pobre aparelho. Nesta aplicação aproveitamos a característica nº 1 do díodo.

Com a 2ª característica do díodo pode fazer um circuito que verifica se um par de pilhas alcalinas de 1.5 V ainda tem carga suficiente, acendendo um LED em caso afirmativo:

Testador de pares de pilhas alcalinas de 1.5V

Uma pilha alcalina vulgar está completamente gasta se apresentar 1.1 V de tensão; vamos então arbitrariamente assumir para o nosso exemplo que se ainda medimos 1.25 V a pilha está boa. Neste caso, um par de pilhas alcalinas ainda tem bastante carga se der 1.25 V + 1.25 V = 2.5 V em utilização. Uma vez que o díodo comum só conduz corrente a partir de 0.7 V, e o LED vermelho só a partir de aproximadamente 1.8 V, temos que o díodo mais o LED resultam numa queda de tensão de 0.7 + 1.8 = 2.5 V. Logo, são precisos 2.5 V ou mais para que circule corrente no circuito e o LED acenda. Como precisamos de calcular uma resistência para limitar a corrente no LED, vamos usar o valor de tensão de um par de pilhas completamente novas: 3 V. Portanto, aos 3 V a corrente no LED não pode ser mais do que 0.02 A, que é a corrente máxima num LED vermelho. Calculamos então a resistência usando a Lei de Ohm: (3 V – 2.5 V) / 0.02 A = 25 Ω (podemos usar o valor comercial 33 Ω).

Agora imagina que tem um circuito que tem que ser alimentado por 2 tensões diferentes; uma é um valor qualquer de 4.5 V a 5.5 V e a outra é de 3.1 V a 3.4 V. Imagina também que só tem 6 V, tirados de 4 pilhas de 1.5 V ligadas em série. Uma forma de obter as tensões desejadas é pegar nos 6 V do conjunto das pilhas e aproveitar a 3ª característica do modelo de funcionamento do díodo para obter as tensões menores, como na figura.

Obter 5.3V e 3.2V a partir de 6V usando d�odos

O 1º díodo subtrai 0.7 V e portanto ficamos com 6 – 0.7 = 5.3 V, que está dentro do intervalo desejado de 4.5 V a 5.5 V. Depois adicionámos mais 3 díodos em série para reduzir ainda mais a tensão, ficando então com 6 – 0.7 – 3 x 0.7 = 3.2 V, que cumpre o requisito de termos um valor no intervalo 3.1 V a 3.4 V. Aqui usamos a característica que o díodo tem de reduzir a tensão em 0.7 V, para obter tensões diferentes da que tínhamos disponível.
Como nota final acerca deste circuito, é preciso dizer que ele só reduz realmente as tensões para os valores apresentados se houver alguma corrente a fluir pelos díodos. O díodo causa realmente uma queda de tensão, mas só quando flui corrente (lembram-se da regra 3 do modelo? Começa por dizer quando conduz corrente); isto bate certo com a Lei de Ohm, pois se a corrente é zero, não pode haver queda de tensão! Para termos um conversor utilizável na prática, teriamos que acrescentar uma resistência entre a saída 5.3 V e o negativo, e entre a saída de 3.2 V e também o negativo. Estas resistências fazem com que esteja sempre a fluir uma “correntezinha” mínima e assim os díodos a causar a queda de tensão. A resistência deve ser calculada para deixar fluir 1 mA de corrente, que é um valor pequeno para não se deperdiçar muita energia e ao mesmo tempo é um valor suficientemente grande para que o díodo funcione bem. Aplicando a Lei de Ohm podemos calcular essas resistências; por exemplo a resistência para a saída de 3.2 V deve ser 3.2 V / R = 0.001 A (Lei de Ohm, I = V / R) <=> R = 3.2 V / 0.001 A = 3200 ohms.

Já agora, existem outros tipos de díodo? Por acaso existem. Alguns dos mais conhecidos são o díodo Zener, o Varicap, o Fotodíodo e o Schottky.

Tipos de d�odos

O Zener é um díodo especial que em certas condições fixa uma certa tensão aos seus terminais; existem díodos Zener para várias tensões maiores que alguns volts, como 3.3 V ou 5.6 V, e são usados como reguladores e referências de tensão.

O Varicap é um díodo que funciona como um condensador variável controlado por tensão. Era utilizado por exemplo em sintonizadores de rádio “digitais”, até começarem a ser usados PLLs.

O fotodíodo é um díodo sensível à luz e pode ser usado como detector de luz, para vários comprimentos de onda. É usado por exemplo nos receptores de commandos infra-vermelhos.

O Schottky é um díodo em que a queda de tensão é de aproximadamente 0.3 V em vez dos típicos 0.7 V. Isto tem a vantagem de haver um menor desperdício de energia por dissipação térmica no díodo, o que é importante em aplicações em que a eficiência energética e baixo consumo são importantes. É que na verdade, a queda de tensão que os díodos apresentam é uma característica indesejável! Vamos pensar no detector de inversão de tensão de alimentação da figura mais acima. Se o díodo estiver a ser atravessado por uma corrente de 100 mA, a potência que ele dissipa na forma de calor (logo, desperdício, porque a função do díodo não é dar calor) é dada pela fórmula da potência (em Watts, W), a quem eu costumo chamar “lei companheira da lei de Ohm” (a fórmula da potência dissipada já dava para outro tutorial):

      P = V x I

Logo, 0.7 V * 0.1 A = 0.07 W = 70 mW. Pode parecer pouco, mas muitos aparelhos portáteis consomem pouco mais do que isso! Se o aparelho estiver a ser alimentado a 3 V, ele estará a consumir (3V – 0.7 V) * 0.1 A = 230 mW, e por aqui se vê que 30% (70/230) da potência retirada das pilhas está a ser desperdiçada no díodo! Se for usado um díodo Schottky em vez do díodo comum, a potência perdida será 0.3 * 0.1 = 30 mW, ou seja, aproximadamente 13% (30/230) do consumo inicial do aparelho, em vez de 30%. Quer dizer que a autonomia das pilhas aumentou 17% só com a troca de um componente. Uma melhoria significativa!

Outra característica que torna os Schottky muito apeteciveis em certas aplicações é a velocidade de reacção. Por ser constituído por apenas um bloco semiconductor e um bloco metálico, este díodo é extremamente rápido a mudar de estado entre “a conduzir” e “ao corte”.

Então e se eu quiser fazer umas experiências, que díodos posso comprar na loja?…

Bom, existem díodos muito comuns e baratos que pode comprar com facilidade praticamente em qualquer loja de eletronica; são eles o 1N4148 e o 1N4001 a 1N4007. O 1º é para correntes até perto de 0.2 A e os restantes para correntes até cerca de 1 A.

Qualquer dúvida poste um comentário.

Créditos a NJAY, em http://troniquices.wordpress.com/2007/11/28/o-diodo/

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