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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/

Como acender um L.E.D

Publicado: 14 de outubro de 2010 em Componentes

Então como é que se acende um LED? 

Bom, para começar precisamos de 1 LED, 2 pilhas de 1.5 V ligadas em série e uma resistência cujo valor calcularemos mais tarde usando a mesma fórmula baseada na Lei de Ohm.

O LED é polarizado, isto é, as suas perninhas são electricamente diferentes e a forma como se liga ao circuito importa; há uma forma correcta de o ligar e trocar uma perna pela outra não é válido. Uma das perninhas chama-se anodo e liga-se ao lado positivo das pilhas. A outra chama-se cátodo e liga-se ao lado negativo. A forma de se identificar o ánodo e o cátodo de um LED é através de 1 de 2 marcas: o cátodo tem a perninha mais curta e, em alguns LEDs como os redondos, também tem um corte na aba.

Esta forma de identificar as perninhas do LED funciona bem se tivermos um LED novo ou redondo. Se tivermos por exemplo um LED quadrado cujas perninhas já foram cortadas então não temos nenhuma pista, e neste caso vamos ter que experimentar ligar o LED das 2 formas ou usar um multímetro que tenha um teste de díodos (pois é, o LED é um díodo, especial).

A forma de ligar os componentes é como no esquema abaixo, a tensão é fixa, com o valor de 3V resultante de ligar as 2 pilhas de 1.5 V em série, e representada pela fonte de tensão que corresponde à bola no circuito.

Circuito do LED

Falta apenas calcular a resistência R do circuito. Mas agora precisamos de ter valores a sério para a queda de tensão no LED e para a corrente máxima. O ideal era consultar a datasheet do LED, que é um documento escrito pelo fabricante e que contém essas informações. Mas um LED não tem indicado o modelo e fabricante, pelo que se já tem um LED é difícil ou mesmo impossível saber estas informações. Contudo, os LEDs dos vários fabricantes são tipicamente muito semelhantes nas suas características, existindo uma espécie de standard; por isso é que os LEDs tipicamente não possuem marcado o modelo e fabricante. Sendo assim, vou deixar aqui valores médios da queda de tensão e corrente máxima para os LEDs “normais” das cores mais comuns.

Vamos então supor que você tem um LED amarelo e quer acende-lo, com as tais 2 pilhas de 1.5 V. A linha da tabela para a cor Amarelo nos diz que a queda de tensão é de 2.0 V e a corrente máxima é de 0.015 A. O valor para a resistência será então

R = V / I  (Lei de Ohm)
R = (3 V - 2 V) / 0.015 A = 66.7 Ω

Mas como não há resistências de 66.7 Ω à venda, escolhemos o valor comercial mais próximo, que é 68 Ω. Como este valor para a resistência é ligeiramente mais alto que os calculados 66.7 Ω, a corrente a atravessar o LED será ligeiramente inferior aos 0.015 A mas não faz mal, pois a diferença é muito pequena e já existe alguma tolerância nos valores da tabela. Não vais notar diferença na luminosidade nem colocar em perigo a integridade do LED. E mesmo que a resistência comercial mais próxima fosse ligeiramente inferior aos 66.7 Ω também não haveria problema desde que fosse uma diferença também pequena. Na verdade, o valor da queda de tensão no LED é proporcional à corrente que o atravessa (embora de uma forma não-linear) e é ligeiramente diferente mesmo para LEDs aparentemente iguaizinhos! Daí que os valores da tabela são apenas uma média, uma aproximação, mas que em geral funciona sempre bem.

Se tiveres um multímetro podes medir o valor real da queda de tensão no teu LED em particular, com ele aceso.

Então e se quiser acender um LED azul? A tabela diz que a queda de tensão é de 3.1 V… o que quer dizer que as suas 2 pilhas de 1.5 V ligadas em série (3 V no total) não chegam. Tem que ter pelo menos 3 pilhas, num total de 4.5 V. E então calculas o valor da resistência da forma habitual

R = (4.5 V - 3.1 V) / 0.02 A = 70 Ω

Mais uma vez, 70 Ω não é um valor comercial e logo tens que ir para o mais próximo, neste caso 68 Ω. Habitua-te a isso, porque a eletrônica está cheia de pequenos ajustes e simplificações, e normalmente não é crítico; existe muita tolerância da parte de todos os componentes, e só temos que garantir que o circuito funcione no pior caso. Um dia podemos falar sobre isso.

E o LED Infra-vermelho na tabela, serve para quê? Este tipo de LED emite uma luz que não se vê, e que é usada tipicamente no controle remoto da TV ou da aparelhagem. Mas podes fazer uma brincadeira com ele; é que as máquinas fotográficas e de filmar digitais, e algumas webcams, são sensíveis a este tipo de luz. Assim, se fizer uma espécie de lanterna de LEDs infra-vermelhos, podes tirar fotografias de curta distância literalmente às escuras!! Se tiveres uma máquina digital das que referi, faz a seguinte experiência: pega no comando da televisão e, enquanto aperta os botões, olha para o lado que aponta para a televisão (muitas vezes podes ver lá o LED infra-vermelho!) através do visor da máquina; vais ver como afinal o comando emite alguma coisa…

Então e se quiser acender mais do que 1 LED? Para acenderes mais do que um LED há 2 possibilidades: em série ou em paralelo. Se os ligares em paralelo, então basta aplicar o circuito para um LED, adicionando 1 resistência por cada LED “extra” e ligando-os em paralelo, assim:

Ligação de LEDs em paralelo

Os valores das resistências são calculados com a fórmula do costume, uma a uma de acordo com as características de cada LED e usando sempre, claro está, 3 V para o valor da fonte.

E se o quiser ligar em série, faz assim:

Ligação de LEDs em série.

Mas repara que agora eu não coloquei o valor da fonte de tensão. E porquê? Porque existe uma particularidade neste circuito: como temos que subtrair à fonte de tensão os valores das quedas de tensão de todos os LEDs, se a fonte for apenas de 3 V, só podes acender um LED. Portanto, agora o valor da fonte de tensão depende do número de LEDs que pretende acender. Por exemplo, imagina que quer acender 4 LEDs vermelhos. Pela tabela, cada LED vermelho subtrai 1.8 V à fonte, logo, os 4 vão subtrair 4 x 1.8 V = 7.2 V. Portanto, a nossa fonte de tensão tem que ser maior que 7.2 V, digamos 9 V (uma vez que existem pilhas de 9 V, e para termos alguma margem). O valor da única resistência do circuito será então

R = (9 V - 4 x 1.8 V) / 0.02 A = 1.8 V / 0.02 A = 90 Ω

A corrente que atravessa todos os LEDs é a mesma, pois estão ligados em série. Isto quer dizer que é preciso ter mais um cuidado. Se um dos LEDs for amarelo, a corrente a atravessá-los todos tem que ser 0.015 A. O LED mais “fraco” de todos é que vai colocar o limite à corrente.

Existem portanto vantagens e desvantagens em cada forma de ligação de múltiplos LEDs:

  • Na ligação em paralelo é preciso 1 resistência por cada LED, mas podes acender muitos LEDs com baixa voltagem na fonte de tensão (poucas pilhas).
  • Na ligação em série, é preciso apenas 1 resistência para todos os LEDs, mas tens que usar uma voltagem superior na fonte de tensão, proporcionalmente ao número de LEDs (eventualmente chegas a um ponto em que a voltagem já é demasiado alta para se poder lidar com segurança).

Se quiser acender mesmo muitos LEDs, então a melhor técnica é usar uma mistura dos circuitos série e paralelo, desta forma:

LEDs em série e paralelo

Neste esquema do circuito usei um símbolo diferente para a fonte de tensão, por nenhuma razão em especial exceto o conhecimento de outros símbolos. Este símbolo representa uma bateria ou pilha (ou conjunto delas).

Então e o LED branco, como é que sei a queda de tensão do meu? Os LEDs brancos são os únicos que ainda não experimentei. A melhor forma de saber qual é esse valor nos seus LEDs é fazer um teste. Começa por assumir que a queda é de 3.1V e calcula uma resistência da forma habitual. Depois, monta um LED e com o multímetro mede a tensão no LED, ou seja, mede entre as duas perninhas do LED. Esse valor é a queda de tensão. Se tiveres vários LEDs brancos, deve fazer esse teste para 3 ou 4 LEDs, e depois, se derem mais ou menos o mesmo valor (por exemplo 3.5V, 3.65V e 3.48V) faz uma média arredondando à 1ª casa decimal e usas esse valor. Se os seus LEDs forem todos do mesmo fabricante, irão apresentar valores parecidos de queda de tensão. Se der valores muito diferentes para LEDs diferentes (por exemplo 3.2 e 3.6) é porque pode ter LEDs de diferentes fabricantes. Aí você tera que tentar agrupar os seus LEDs por fabricante, fazendo o teste em todos e agrupando-os por valores semelhantes.

No final, sabendo já a queda de tensão, basta re-calcular os valores das resistências.

Já agora, e se usares pilhas re-carregáveis em vez das alkalinas, há alguma diferença? Há, é que as pilhas recarregáveis tipicamente não são de 1.5 V mas sim de 1.2 V (costuma estar escrito na própria pilha), logo um par delas em série só dá 2.4 V. Tem que ter isso em mente ao fazer as contas.

Créditos a NJAY, em http://troniquices.wordpress.com