O que é um diodo? Para que serve e suas aplicações

 Diodo Retificador

Diodos são dispositivos semicondutores amplamente utilizados em diversas aplicações .

Um diodo retificador é um semicondutor de duas derivações que permite que a corrente passe em apenas uma direção. Geralmente, o diodo de junção PN é formado pela união de materiais semicondutores do tipo n e do tipo p. O lado do tipo P é chamado de (A) ânodo e o lado do tipo n é chamado de (K) cátodo. Muitos tipos de diodos são usados ​​para uma ampla gama de aplicações. A capacidade mais amplamente reconhecida de um diodo é permitir que um fluxo de corrente elétrica vá em uma direção (chamada de direção direta do diodo), enquanto ao mesmo tempo bloqueia o fluxo de corrente em outra direção (na direção reversa). Assim, o diodo pode ser pensado como uma adaptação eletrônica de uma válvula de retenção. Essa condução unidirecional de corrente é conhecida como retificação, que é utilizada para mudar a corrente alternada (AC) para corrente contínua (DC). Esta retificação é muito útil em circuitos eletrônicos porque a maioria dos circuitos são usados ​​em corrente contínua.    

Os diodos retificadores são um componente essencial em fontes de alimentação de baixas e altas potencias onde são usados ​​para converter tensão CA: Corrente Alternada  em tensão CC: Corrente Continua. 

Mas, os diodos podem ter um comportamento mais complexo em uso no circuito do que a atividade básica liga-desliga. Essa complexidade se deve a atributos elétricos não lineares, que podem ser personalizados alterando o desenvolvimento de sua interseção PN. Para superar esta complexidade foram feitos alguns diodos de propósito especial. Eles podem executar muitas funções diferentes.

Alguns exemplos são,

• O diodo específico que costumava regular a tensão (diodos Zener)
• Para receptores de rádio e TV sintonizados eletronicamente (diodos varactor)
• Para criar radiofrequência (diodos de túnel)
• Para gerar luz (diodos emissores de luz)
• O diodo túnel mostra resistência negativa, o que os torna úteis em alguns tipos de circuitos.

Símbolos de Diodos 

       (+) Anodo                                           Catodo(-)         

História:

O diodo foi a primeira implementação de materiais semicondutores. As habilidades de retificação do diodo dos cristais foi introduzido pela primeira vez pelo físico alemão Ferdinand Braun em 1874 para o mundo. Por volta de 1906, os diodos bigode de gato desenvolvidos, feitos de cristais minerais como a galena, foram o primeiro diodo semicondutor. Hoje a maioria dos diodos são feitos de silício, mas diferentes semicondutores, por exemplo, germânio são utilizados para um diodo, os terminais são únicos e é importante como você interage com o diodo no circuito. Então você precisa identificar os terminais do ânodo (+) e do cátodo (-). Para identificar o terminal do diodo o multímetro digital (DMM) é muito útil, mas na embalagem do diodo está marcado qual terminal é ânodo ou qual é cátodo. O diodo permite que a corrente flua para o ânodo (+), assim como a corrente flui para o lado de maior tensão do resistor.  

Diodos Zener

Os diodos Zener são usados ​​para regulação de tensão, evitando variações indesejadas nas alimentações DC: Corrente Continua, dentro de um circuito eletrônico.

Na Imagem abaixo vemos um diodo zener tanto símbolo como imagem

Então o que é um diodo retificador?

Em aparelhos eletrônicos, um diodo é um segmento eletrônico de dois terminais que transmite fluxo elétrico em apenas uma direção. O termo semicondutor ou diodo de junção PN é usado principalmente. 

Um diodo retificador é um diodo semicondutor, usado especificamente para um fim especifico o qual é de  retificar CA (corrente alternada) para CC (corrente contínua) usando o aplicativo de ponte retificadora. 

Diodos Schottky

Existe também uma  outra aplicação  de um diodo retificador chamado de diodo Schottky, através da barreira Schottky é valorizada principalmente dentro da eletrônica digital. Este diodo é capaz de conduzir os valores de corrente que variam de mA (mili ampere) a alguns kA (quilo amperes)  e tensões de até alguns kV. (quilo wates)

Figura 4    Diodo Schottky

• O projeto de diodos retificadores pode ser feito com material de Silício e são capazes de conduzir altos valores de corrente elétrica. Esses diodos não são famosos, mas ainda usam diodos semicondutores baseados em Germânio ou arsenieto de gálio. Os diodos Germânio têm menos tensão reversa permitida, bem como uma temperatura de junção menor permitida. O diodo Ge tem um benefício em comparação com o diodo Si que é um valor de tensão de limiar baixo enquanto opera em uma polarização direta.

O diodo retificador possui dois grupos de parâmetros técnicos, como parâmetros de limite permitidos e parâmetros característicos. O símbolo de um símbolo de diodo retificador é mostrado abaixo, a ponta da seta aponta na direção do fluxo de corrente convencional.

Funcionamento do circuito de diodo retificador

Ambos os materiais do tipo n e do tipo p são combinados quimicamente fabricados de uma forma  especial que resulta na formação de uma junção pn. Esta junção PN possui dois terminais positivo e negativo e por isso  podem ser chamados de eletrodos e dai o nome   “DIODO” (diodo).

Se uma tensão de alimentação CC ( corrente continua) externa for aplicada a qualquer dispositivo eletrônico através de seus terminais, isso é chamado de Biasing. (Tendência)

Diodo com polarização direta

• Forward Biasing: (Polarização para a frente) Em um diodo de junção PN, o terminal positivo de uma fonte de tensão é conectado ao lado do tipo P e o terminal negativo é conectado ao lado do tipo N, o diodo está em condição de polarização de encaminhamento para assim executar suas devidas funções de trabalho corretamente .
• Os elétrons são repelidos pelo terminal negativo da fonte de tensão CC (corrente continua) e derivam em direção ao terminal positivo.
• Assim, sob a influência da tensão aplicada, esse desvio de elétrons faz com que a corrente flua em um semicondutor. Esta corrente é chamada de “corrente de deriva”. Como os portadores maiores são elétrons, a corrente no tipo N é a corrente de elétrons.
• Como os orifícios são portadores maiores no tipo P, eles são repelidos pelo terminal positivo da alimentação CC (corrente continua) e se movem pela junção em direção ao terminal negativo. Então, a corrente no tipo P é a corrente do buraco.
• Assim, a corrente geral devido às portadoras majoritárias cria uma corrente direta.
• A direção da corrente convencional flui do positivo para o negativo da bateria na direção da corrente convencional é oposta ao fluxo de elétrons.

Polarizado

Diodo retificador não polarizado

• Quando não há tensão fornecida a um diodo retificador, ele é chamado de diodo não polarizado, o lado N terá um número maior de elétrons e muito poucos buracos melhor dizendo poucas passagens (devido à excitação térmica), enquanto o lado P terá a maioria dos portadores de carga buracos, passagens e muito poucos números de elétrons.
• Nesse processo, os elétrons livres do lado N se difundem e se espalham para o lado P e a recombinam ocorre nas lacunas que são chamados tambem de buracos ali presentes, deixando + cinco íons imóveis (não móveis) no lado N e criando -ve íons imóveis no lado N. lado P do diodo.
• O imóvel no lado tipo N próximo à borda da junção. Da mesma forma, os íons imóveis no lado do tipo P perto da borda da junção. Devido a isso, números de íons positivos e íons negativos se acumularão na junção. Esta região assim formada é chamada de região de depleção.
• Nesta região, um campo elétrico estático chamado Barreira de Potencial é criado através da junção PN do diodo.
• Ele se opõe à migração adicional de buracos e elétrons através da junção.

Imparcial - Sem tensão aplicada)

 

Diodo de polarização reversa e suas condições 

• Condição de polarização reversa: se o diodo for o terminal positivo da fonte de tensão estiver conectado à extremidade do tipo N e o terminal negativo da fonte estiver conectado à extremidade do tipo P do diodo, não haverá corrente através do diodo exceto corrente de saturação reversa.
• Isso ocorre porque na condição de polarização reversa a camada de depleção da junção se torna mais ampla com o aumento da tensão de polarização reversa.
• Embora haja uma pequena corrente fluindo da extremidade tipo N para a extremidade tipo P no diodo devido a portadores minoritários. Essa corrente é chamada de corrente de saturação reversa.
• Os portadores minoritários são principalmente elétrons/buracos gerados termicamente no semicondutor tipo p e semicondutor tipo n, respectivamente.
• Agora, se a tensão aplicada reversa através do diodo for continuamente aumentada, então, após certa tensão, a camada de depleção será destruída, o que fará com que uma enorme corrente reversa flua através do diodo.
• Se esta corrente não for limitada externamente e ultrapassar o valor seguro, o diodo pode ser destruído permanentemente.
• Esses elétrons em movimento rápido colidem com os outros átomos no dispositivo para arrancar mais alguns elétrons deles. Os elétrons, assim liberados, liberam muito mais elétrons dos átomos, quebrando as ligações covalentes.
• Esse processo é chamado de multiplicação de portadores e leva a um aumento considerável no fluxo de corrente através da junção PN. O fenômeno associado é chamado Avalanche Breakdown (Discriminação)

Diodo de polarização reversa

Retificador de meia onda

Um dos usos mais comuns para o diodo é retificar a tensão CA em uma fonte de alimentação CC . Como um diodo só pode conduzir corrente de uma maneira, quando o sinal de entrada for negativo, não haverá corrente. Isso é chamado de retificador de meia onda . A figura abaixo mostra o circuito de diodo retificador de meia onda.

Retificador de meia onda

Retificador de onda completa

Um circuito de diodo retificador de onda completa é construído com quatro diodos, por essa estrutura podemos tornar as duas metades das ondas positivas. Para os ciclos positivos e negativos da entrada, existe um caminho direto através da ponte de diodos .

Enquanto dois dos diodos são polarizados diretamente, os outros dois são polarizados reversamente e efetivamente eliminados do circuito. Ambos os caminhos de condução fazem com que a corrente flua na mesma direção através do resistor de carga, realizando a retificação de onda completa.

Os retificadores de onda completa são usados ​​em fontes de alimentação para converter tensões CA em tensões CC. Um grande capacitor em paralelo com o resistor de carga de saída reduz a ondulação do processo de retificação. A figura abaixo mostra o circuito de diodo retificador de onda completa.

Retificador de onda completa

Parâmetros

Com base nos seguintes parâmetros limitantes, o diodo retificador é caracterizado

VF - Tensão direta através da corrente de encaminhamento IF determinada

IR – A corrente em reverso na operação de tensão reversa de pico VRWM.

IFN – A corrente média máxima dos diodos ou corrente nominal na polarização direta

IFRM - Pico, condução de diodo de corrente repetível

IFSM - Pico, condução de corrente não repetível

VRWM - Pico, Operação de Voltagem Reversa

VRRM - Pico, Tensão Reversa Repetitiva

VRSM - Pico, Tensão Reversa Não Repetitiva

PTOT – O valor total da potência dissipada no componente eletrônico

Tj - Temperatura mais alta de junção no diodo

Rth – Resistência Térmica abaixo das Condições de Operação

Temperatura máxima

Os diferentes parâmetros listados acima podem ser afetados por diferentes fatores, como a temperatura ambiente onde o diodo retificador está funcionando. Todos os dispositivos semicondutores geram calor, principalmente aqueles usados ​​em fontes de alimentação. Um dos maiores problemas é evitar fuga térmica sempre que um diodo aumenta sua temperatura, o que leva a uma amplificação da corrente com o dispositivo até que o dispositivo seja destruído.

Para evitar esse problema, cada uma das temperaturas de referência dos parâmetros do diodo, por exemplo, a corrente de fuga reversa dos diodos de Si é geralmente extraída a 25°C da temperatura ambiente, mas é aproximadamente duas vezes para cada 10°C. Uma vez que a temperatura é aumentada, o potencial de junção direta será reduzido para 2 mV a 3 mV para cada 1°C de temperatura.

Alta corrente

O diodo retificador com a corrente dupla alta é o melhor exemplo de um diodo de alto desempenho incluindo 2x 30A de corrente.

A STMicroelectronics implementou um diodo retificador com dupla alta tensão, o STPS60SM200C. Este diodo é aplicável para soldadores, estações base, fontes de alimentação AC/DC, bem como aplicações industriais.

O valor da tensão de ruptura do VRRM é de 200V, a tensão de condução é de 640mV e sua memória atual será de 2x30A. Uma proteção extra pode ser de um ESD que é chamado de descarga eletrostática para 2kV. A faixa de temperatura de operação deste diodo varia de -40° C – 175° C. Esses valores permitirão que os diodos sejam utilizados abaixo de todas as circunstâncias dentro das estações base.

Como testar um diodo retificador?

O diodo retificador pode ser testado usando os seguintes métodos.

O multímetro simples é usado principalmente para decidir a polaridade do diodo retificador como ânodo ou cátodo. Há um mínimo de três métodos para fazer isso, mas aqui os dois métodos simples para fazer isso são usando o ohmímetro - Multímetro  e a função de medição VDC.

Usando Ohmímetro - Multímetro

Na polarização direta, o Ohmímetro - Multímetro especificará o valor estimado da tensão direta do diodo que é quase 0,7. Na polarização reversa, o ohmímetro - Multímetro especificará '1'”, o que significa que é uma resistência extremamente alta.

A função de uma verificação de diodo fornecerá um resultado igual como o método usado acima mais mostrado com clareza na figura abaixo.

Testando a polaridade do diodo com o Multímetro digital 

Se o display do Multímetro digital mostrar baixa resistência, significa que o diodo está em polarização direta. Esta baixa resistência mostra que o terminal que se conectou ao terminal positivo ou fio vermelho do multímetro é o ânodo. Outro terminal conectado ao terminal negativo ou fio preto do multímetro é o cátodo.

Teste de diodo em polarização direta

Função de medição VDC

Na polarização direta, um multímetro exibirá a queda de tensão para o diodo de silício de 0,7 V 

Na polarização reversa, um multímetro especifica o valor estimado da alimentação de tensão total.

Os diodos retificadores são usados ​​principalmente para retificação, o que significa mudar CA para CC. Eles são usados ​​em circuitos onde uma grande corrente deve fluir pelo diodo.

Os diodos retificadores têm uma queda de tensão direta de 0,7V e são feitos com Si. Assim, a seguinte forma tabular lista a tensão reversa máxima e mínima para alguns diodos retificadores. O diodo 1N4001 é adequado para circuitos que possuem baixa tensão e menos de 1A de corrente.

A característica dos diodos é que o fluxo de corrente, caso contrário, a corrente não fornece com base na direção da tensão aplicada. Isso funciona para alterar a tensão CA para CC. Os dois terminais de eletrodo deste diodo são o ânodo e o cátodo e as fontes de corrente, uma vez que o eletrodo do ânodo está no terminal +ve.

Agora se  o display do Multímetro digital estiver mostrando alta resistência, significa que o diodo está em polarização reversa. Este terminal de alta resistência que se conecta ao terminal positivo ou fio vermelho do multímetro é o cátodo. Outro terminal conectado ao terminal negativo ou fio preto do multímetro é o ânodo.

Teste de diodo em polarização reversa

Nota – Se o diodo estiver em curto, o multímetro mostrará resistência zero ohm no visor, então verifique o diodo no ponto de continuidade e verifique se o diodo estava em curto, então o som do multímetro continua a apitar. 

Espero que temos ajudado a terem mais conhecimento em componentes eletrônicos

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José Nildo Lima - Técnico em eletrônica desde 1989 e Técnico em informática desde 2007