diodos - (IF Sudeste MG-JF).

DIODOS
São componentes que permitem a passagem da corrente elétrica em apenas um sentido.
Produzidos à partir de semicondutores, materiais criados em laboratórios uma vez que não
existem na natureza, que possuem a característica de permitir a passagem da corrente elétrica
quando recebem a energia em um sentido e barrá-la quando em sentido oposto. O processo de
produção de diodos é chamado dopagem.
Seu símbolo internacional de um diodo comum aparece na figura 1. Observe que ele é um
componente polarizado, isso quer dizer que ele possui lado certo para ser instalado no circuito.
Por isso seus terminais possuem nomes distintos.
fig. 1 - símbolo básico do diodo
Quando conectado em posição que permita a passagem da corrente elétrica, dizemos que ele
está polarizado diretamente, fig. 2. Nesse caso, a energia flui de um pólo ao outro da fonte
de alimentação.
fig.2 - polarizado diretamente
Quando o diodo se encontra invertido, com seu catodo apontado para o positivo, não há
movimentação da corrente elétrica. É dito então que ele está polarizado inversamente, fig. 3.
fig. 3 - polarizado inversamente
Observação: Quando o sentido da corrente elétrica é igual ao dos elétrons,
chamamos de sentido eletrônico ou sentido real de movimentação, ou seja,
do negativo para o positivo.
Quando o sentido da corrente é oposto aos do movimento dos elétrons, é
chamado de sentido convencional ou clássico, ou seja, do positivo para o
negativo.
O sentido convencional é o mais utilizado na eletrônica. Os símbolos dos
componentes inclusive “apontam” esse sentido de movimentação dos elétrons.
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É óbvio que a fabricação dos diodos não é ideal. A condução de corrente elétrica nele sofre
uma resistência bem baixa, poucos ohms, que é quase desprezível. Estando invertido, o
bloqueio da corrente elétrica também não é total. Uma pequena corrente, na ordem de
microampères, chamada corrente de fuga, também aparece. Mas esse valor é praticamente
desprezível.
Os diodos, assim como qualquer componente eletrônico, operam com determinadas
características que são especificadas por seu modelo e são dadas pelo fabricante em folhetos
técnicos, conhecidos por data sheets. Desrespeitar os limites dessas características pode levar
os componentes à destruição e de outros que estejam no mesmo circuito.
As características mais importantes, nos diodos são:
Corrente direta de pico máxima (IFSM - Maximum Peak Forward Current)
É o valor que determina o quanto de corrente elétrica pode circular pelo diodo, quando
polarizado diretamente, sem que ele se queime. Esse valor pode ser calculado pela velha e
conhecida fórmula V=R·I
Tensão inversa de pico (PIV - Peak Inverse Voltage)
Informa a tensão acima da qual ocorrerá a ruptura e destruição do diodo. O fabricante define
esse valor máximo. Deve ser considerado apenas quando o diodo estiver polarizado
inversamente.
Queda de tensão
Quando polarizado diretamente, o valor da tensão é reduzido em 0,7 volt, por cada diodo que
estiver em série no circuito. Técnica utilizada quando é necessário reduzir um pouco a tensão
oferecida pelo gerador. Valor válido para diodos de silício, material mais comum do qual são
fabricados atualmente. Outros materiais podem ser utilizados, como o germânio, com queda
de 0,3 volts, porém costumam ser mais caros e a relação custo/benefício não compensa.
Exemplos:
1) O que ocorre com o diodo da figura abaixo, considerando que ele possui uma corrente
direta máxima de 350mA?
V=R·I
...
75=150·I
...
I=75/150
...
I=0,5A
Resposta: O diodo se queima, pois teve sua corrente direta máxima ultrapassada.
2) No circuito a seguir o diodo possui uma tensão inversa de 40 volts. O que acontecerá com
ele?
Resposta: Funcionará normalmente. Ele suporta uma tensão inversa de 40 volts e o circuito ao
qual está ligado oferece apenas 25.
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3) Qual o valor de tensão que a lâmpada recebe?
Resposta: Como cada diodo oferece uma queda de 0,7 volts, teremos:
18-(4 · 0,7) ... 15,2 volts
Um uso muito comum para os diodos é a retificação, que consiste na transformação da tensão
alternada em tensão contínua. Exercendo essa função, eles recebem o nome de diodos
retificadores.
Essa condição ocorre devido à condutividade em um só sentido que eles apresentam.
A onda senoidal, característica básica da tensão alternada, possui picos positivos e negativos
que variam, de modo constante, à velocidade de 60Hz, fig. 4.
fig. 4
Aparelhos que utilizam tensão contínua seriam danificados em 0,0083 segundos se conectados
em uma fonte de tensão alternada, uma vez que essa seria a duração da tensão enquanto
positiva. Após esse tempo, a tensão se tornaria negativa, queimando o equipamento por
inversão de tensão.
A utilização de um diodo poderia evitar essa inversão. Veja na figura 5 que, após o diodo, a
tensão não mais se inverte, ficando apenas os pulsos positivos.
fig. 5
O funcionamento do equipamento não seria adequado, mas certamente evitaríamos sua
queima pelo efeito da inversão de tensão.
Além dos retificadores, que são os mais comuns, existem vários outros tipos de diodos, com
nomes e funções específicas. Por exemplo: varicap, de corrente constante, tunnel, de
recuperação em degrau, schottky, de retaguarda, pin, varactor, laser...
Vejamos alguns.
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Zener
É um tipo de diodo utilizado para regulagem de tensão, isso quer dizer que esse diodo
mantém o valor de tensão sempre constante, mesmo que sua entrada varie. Ele permite que
circule apenas o valor para o qual foi projetado. Desse modo até podemos lembrar do
estabilizador, mas são dispositivos completamente diferentes.
Eles também são conhecidos como diodos de referência ou diodos de avalanche.
O zener apresenta um símbolo ligeiramente diferente do retificador, fig. 6.
fig. 6 - símbolo do diodo zener
Sua disposição no circuito também é totalmente diferente. O retificador fica em série
enquanto que o zener fica em paralelo. Para ficar mais diferente ainda, o catodo aponta para o
positivo e o anodo é ligado ao negativo. Ele também pode ser instalado em série mas assim
funcionará como um diodo retificador comum.
A fonte fornece 18v. O zener permite que
circule no máximo 10v. A lâmpada receberá
então apenas esses 10 volts, fig. 7. Cálculos de
potência de dissipação precisam ser feitos para
definirmos essa característica do zener.
Devemos lembrar que ele funciona com baixos
valores de potência servindo somente para
circuitos de pequeno consumo. 2 watts no
máximo. Se esse valor for ultrapassado, o zener
não deve ser utilizado.
fig. 7
Devemos tomar cuidados extremos com os cálculos ao utilizarmos circuitos regulados por
diodos zener, pois, em caso de queima, danos diferentes podem acontecer:
1) Queima do zener em aberto
Caso isso ocorra, o circuito comporta-se como se o diodo não existisse e, nesse caso como
é ele quem reduz a tensão, a carga, uma lâmpada na figura acima, receberá os 18 volts da
fonte. Poderá essa carga receber o valor total da fonte? Uma análise criteriosa para cada
circuito se faz necessária.
2) Queima do zener em fechado
Aqui podem ocorrer duas possibilidades: Ou queimamos a fonte, caso os condutores sejam
super-dimensionados, ou queimamos a instalação física do circuito, os condutores, caso a
fonte seja potente o suficiente.
Comercialmente encontramos os seguintes valores para os diodos zener:
2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1 10 11 12 13
15 16 18 20 22 24 27 30 33 43 47 56 68
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Diac
Seu nome vem de diodo para corrente alternada ou do inglês, DIode AC. É um modelo
bastante diferente, pois permite conduzir energia nos dois sentidos. Pode parecer uma
incoerência, afinal um diodo que conduz para os dois lados acabaria por comportar como um
condutor comum.
Mas o diac conduz apenas quando a tensão atinge um determinado valor, conhecido como
tensão de disparo, tensão de breakover. Isso que dizer que o diac impede a passagem de
energia, para qualquer lado, enquanto ela não alcançar um valor preestabelecido, voltando a
impedir se essa tensão cair novamente. Nos mais comuns, essa tensão costuma ser 34 volts.
Ele é utilizado quando determinados circuitos precisam iniciar seu funcionamento à partir de
determinado valor. Assim os diacs funcionam como gatilhos que disparam esses circuitos
apenas depois de ultrapassado esse valor.
fig. 8 - símbolo do diac
Led - Light Emitting Diode ou diodo emissor de luz
O led é um diodo que quando polarizado diretamente emite luz monocromática. Essa
característica é chamada eletroluminescência. Na verdade ele acaba funcionando como uma
lâmpada mas com as vantagens de ter sua luz difusa e nítida; é sólido, pode cair que não
quebra; não produz calor; consome pouca energia; pode permanecer aceso por 50 anos.
Atualmente os leds emitem luz nas cores alaranjada, amarela, azul, branca, rosa, roxa, verde,
vermelha e uma infravermelha, muito utilizada em alarmes e controles remotos.
fig. 9 - símbolo do led
fig. 10 - aspecto físico
Como todo diodo, ele possui lado certo para ser ligado e para ter as características funcionais
citadas acima, precisa ter respeitados seus parâmetros de corrente direta de pico máxima e
tensão inversa de pico, sob pena de queimá-lo. Esses valores variam um pouco entre
modelos, mas podemos considerar a corrente 30mA e a tensão 4v. Veja na figura 10 que o
terminal mais curto é o catodo que também fica para o lado no qual o led tem um rebaixado.
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Pois bem, para resolver as exigências dos leds, devemos:
1 - Sempre ligar em série com eles um resistor que limite a corrente em 30mA.
Como sabemos, esse é o componente que define a corrente que circula pelo circuito.
Seu valor é calculado pela fórmula V=R·I, onde V é em volts, R em ohms e I em ampères.
Qual deve ser o valor do resistor da figura 11?
fig. 11
Pela fórmula V=R·I temos:
30mA = 0,03A
12=R·0,03
R=12/0,03 ... R=400Ω
Assim encontramos o valor 400Ω, que não é comercial. Disponíveis temos 390 ou 430Ω. A
opção é pelo que tem o valor maior, pois assim evitamos que o led funcione com corrente
próxima ao seu limite máximo.
Falta calcular a potência de dissipação do resistor. Pela fórmula P=V·I, encontramos
facilmente esse valor.
P=12·0,03 ... P=0,36 watts ... usaremos 0,5 watt que é o valor comercial mais próximo.
2 - Nunca ligá-lo inversamente em tensões superiores a 5 volts.
Inicialmente, essa exigência parece óbvia, mas existem duas situações.
Se for alimentado em tensão contínua, basta ligar o anodo no positivo e o catodo no
negativo, juntamente com seu resistor em série devidamente calculado, conforme vimos
acima.
Mas, se for ligado em tensão alternada, a coisa se complica um pouco, principalmente se o
valor da tensão variar mais do que 5 volts.
Lembre-se que o led possui aproximadamente 4 volts de tensão inversa de pico. Ou seja, sua
barreira que impede a passagem da energia em sentido contrário, é bem pequena. Como a
característica da tensão alternada é ficar “trocando de sinal” todo o tempo, 60 vezes por
segundo, nosso led vai se queimar após 0,0083 segundos. Volte nas explicações da figura 4
para relembrar.
Então como seria ligado um led em uma tomada elétrica de 127vca?
Inicialmente devemos calcular o valor do resistor e sua potência de dissipação.
V=R·I
127=R·0,03
R=127/0,03 ... R=4233,33Ω
Valor comercial mais próximo será de 4300Ω
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P=127·0,03 ... P=3,81 watts ... usaremos 5 watts que é o valor comercial mais próximo.
Agora devemos proteger o led de tensões inversas maiores que 5 volts.
Qual componente permite que a energia circule apenas em um sentido? Sim, um diodo.
Mas o led não é um diodo? Sim, mas o problema dele é que sua tensão inversa é muito
pequena. Assim devemos ligar em série com o led um diodo que tenha como tensão inversa
um valor igual ou maior que 127 e corrente direta máxima de pelo menos 0,03A.
O circuito final é apresentado na figura 12.
fig. 12 - led em CA
Informação adicional - se pensarmos bem, o led é um diodo,
componente que permite a passagem da energia elétrica em apenas um
sentido. Desse modo, se ligarmos o led, sem qualquer resistor, numa
fonte de tensão, estaríamos criando um curto circuito, uma vez que,
polarizado diretamente, ele seria um caminho sem obstáculos entre o
positivo e o negativo. Assim o resistor de proteção tem função de
evitar a queima não apenas do led mas também do gerador.
Display
Utilizando alguns leds, é possível criar um display onde números, letras e desenhos podem ser
exibidos. Existem diversos tipos de displays e que emitem diversas cores.
Muito utilizado, o display de sete segmentos, aparece na figura 13. Para exibir números, basta
que se acendam os leds correspondentes. Na figura 14 são mostrados todos os números.
fig. 13 - display de sete segmentos
fig. 14 - número de zero à nove
Com criatividade, algumas letras, mas não todas, podem ser exibidas. Figuras 15, 16, 17 e 18.
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fig. 15 - JESSICA
fig. 16 - FELIPE
fig. 17 - urubu - minúsculas
fig. 18 - dArio - maiúsculas/minúsculas
As letras minúsculas b, c, d, h, i, l, n o, r, u podem ser escritas sem problemas.
As maiúsculas A, C, E, F, H, I, J, L, O, P, S, U também.
Mas como fazer as letras a, e, f, g, k, m, p, q, s, v, x, z minúsculas?
E as B, D, G, K, M, N, Q, R, T, V, X, Z maiúsculas?
As letras g, k, m, q, v, w, x, z não são possíveis de se fazer.
Forçando um pouco, as letras t, y podem ser representadas, figura 19.
fig. 19 - t, y - minúsculas
Como funcionam os displays?
São 7 leds dentro de um compartimento de onde sua luz sai por um local determinado,
gerando as imagens conforme vistas nos exemplos acima. Como seriam necessários 14 fios,
cada led precisa de dois. Podemos resumir ligando todos os catodos - lado negativo do led - ou
anodos - lado positivo do led - em um ponto comum. Para acendê-lo, basta ligar a outra ponta
que ficou sobrando ao positivo ou negativo.
São chamados anodo comum e catodo comum e podem ser vistos na figura 20.
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fig. 20 - estrutura interna dos displays
Lembre-se: Embora possam ter seus anodos ou catodos ligados em um mesmo
ponto, são leds individuais e cada um precisa de seu resistor de proteção.
Cada segmento é identificado por uma letra conforme vemos na figura 20. Na
figura 21 vemos quais são os segmentos e suas letras.
As cores que eles podem exibir são as mesmas dos leds a não ser a infravermelha.
Existem displays em diversos tamanhos.
O display de dezesseis segmentos permite escrever todos os números e
letras sem problemas uma vez que dispõe de novas combinações de
segmentos.
Seu funcionamento e características são as mesmas do display de sete
segmentos. Na figura 22 vemos seus segmentos.
Outro modelo de display, conhecido como matriz de pontos, possui diversos leds montados
lado a lado, podendo ser acesos individualmente. Seu uso mais comum é em painéis de
propaganda, letreiros que ficam passando informações aos clientes e em ônibus, mostrando a
itinerário.
Muitos outros displays existem para atender às diversas exigências de informação visual. Na
figura 23 vemos alguns.
A = Setas de direção.
B = Matriz de pontos - grande.
C = Barra de leds.
D = Matriz de pontos - pequena.
E = Sete segmentos - grande, duplo.
F = Dezesseis segmentos.
G = Sete segmentos - grande.
H = Sete segmentos - pequeno.
fig. 23 - tipos de displays
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