5. DIODO SEMICONDUTOR
5.2. Funcionamento em polarização direta
Pode-se entender um diodo como uma chave eletrônica de sentido único de circulação. Quando estiver polarizado diretamente, ou seja, quando a tensão de anodo for maior que a de catodo, o diodo conduzirá quase como que uma chave fechada. Dizemos que o diodo está em condução. Neste caso, podemos considerar o diodo como uma chave perfeita, sem perdas. Dizemos que este é um modelo matemático de diodo ideal. Abaixo é mostrado o modelo matemático do diodo ideal e a curva V x I para este modelo.
Figura 40: Modelo (a) e curva V x I (b) de um diodo considerado ideal
Devido à necessidade de ultrapassar a barreira de potencial da região de depleção, há uma queda de tensão nos terminais do diodo. Tipicamente utiliza-se 0,7 V para diodos de silício e 0,3 V para diodos de germânio, mas o valor exato varia, inclusive com a corrente que está passando pela junção.
Assim, quando é necessário maior precisão no projeto, principalmente quando a tensão aplicada for um valor mais baixo, utiliza-se um modelo de diodo que tenha também uma queda de tensão, chamado de modelo fonte.
Figura 41: Modelo (a) e curva V x I (b) de um diodo modelado como fonte
Além da queda de tensão Vγ, há uma pequena resistência de condução devido à própria resistividade do material e ao número de portadores de carga.
Mas, diferentemente dos resistores, essa resistência não é constante. Abaixo é mostrado o modelo fonte-resistor, como é conhecido, e a curva V x I.
Figura 42: Modelo (a) e curva V x I (b) de um diodo modelado como fonte-resistor
Tipicamente, até para facilitar os cálculos, utiliza-se o modelo ideal para os diodos, sem perdas. Mas, quando a precisão dos resultados exigir ou quando a tensão do circuito for mais baixa, é interessante utilizar o modelo fonte, em que é considerada a queda de tensão na junção, mas não a resistência de condução direta. O terceiro modelo, mais completo, somente é utilizado quando se necessita de grande precisão no projeto ou com corrente de anodo variável. Vamos a um exemplo de utilização:
Exemplo: um diodo é ligado em série com um resistor de 68 Ω a uma fonte de 15 V, conforme circuito abaixo. Determine a queda de tensão no diodo e no resistor e a corrente no circuito, utilizando:
a) Modelo ideal: o circuito com o diodo substituído por seu modelo é mostrado abaixo:
Como o diodo é um curto-circuito, a única resistência do circuito é a do resistor. Assim, a corrente será:
𝐼 =15 − 0
68 = 0,2206 𝐴 = 220,6 𝑚𝐴
A tensão sobre os terminais do diodo é nula, pois o mesmo é representado por um curto-circuito. Logo, toda a tensão da fonte é aplicada sobre o resistor.
𝑉𝐷 = 0 𝑉 𝑒 𝑉𝑅 = 15 𝑉
b) Modelo fonte, com Vγ = 0,6 V: o circuito modelado é mostrado abaixo:
Agora, além do resistor, há a queda de tensão no diodo, que deve ser descontada da fonte. Assim, a corrente será:
𝐼 =15 − 0 − 0,6
68 = 0,2118 𝐴 = 211,8 𝑚𝐴
A tensão no diodo é a própria queda de tensão, enquanto que no resistor é a diferença:
𝑉𝐷 = 0,6 𝑉 𝑒 𝑉𝑅 = 15 − 0,6 = 14,4 𝑉
c) Modelo fonte-resistor, com Vγ = 0,6 V e rD = 5,76 Ω: o circuito é mostrado abaixo. Neste caso deve ser incluída a resistência do diodo em série com a do resistor:
𝐼 =15 − 0 − 0,6
68 + 5,76 = 0,1952 𝐴 = 195,2 𝑚𝐴 A tensão no resistor é calculada pela Lei de Ohm:
𝑉𝑅 = 𝑅 ∙ 𝐼 = 68 ∙ 0,1952 = 13,27 𝑉
A tensão no diodo é dada pela queda de 0,6 V somada com a queda na resistência:
𝑉𝐷 = 𝑉𝛾+ 𝑟𝐷∙ 𝐼 = 0,6 + 5,76 ∙ 0,1952 = 1,724 𝑉 5.3. Funcionamento em polarização reversa
Quando a junção pn do diodo estiver polarizada reversamente (tensão de anodo menor que a de catodo), este se comporta como uma chave aberta, não permitindo passagem de corrente. Na grande maioria dos casos pode-se utilizar o modelo ideal, em que não há fuga de corrente reversamente, já que o valor dessa corrente é da ordem de nA ou alguns poucos µA. Em casos mais específicos, como em circuitos muito sensíveis, pode ser considerada essa
fuga pela inserção de uma resistência de algumas dezenas ou centenas de MΩ.
O modelo para polarização reversa é uma chave aberta, já que a corrente de fuga é desconsiderada, conforme mostrado abaixo.
Figura 43: Modelo de diodo para polarização reversa (bloqueio)
5.4. Características de diodos
Os diodos são definidos por algumas características principais, dentre elas, temos:
Corrente direta (IF): este é o valor máximo de corrente direta que o diodo pode conduzir. Pode ser uma corrente média (average) ou eficaz (rms);
Tensão reversa máxima (VRRM): é a máxima tensão reversa que o diodo suporta. Geralmente é fornecida em termos de tensão repetitiva, principalmente para diodos retificadores;
Tensão direta de condução (VF): é a queda de tensão do diodo, dada em V ou mV. Normalmente é fornecida para o valor máximo de corrente, juntamente com um gráfico para outros valores.
Existem outras características importantes, mas com esses três valores é possível dimensionar um diodo para a grande maioria das aplicações.
5.5. Diodos comerciais
Comercialmente os diodos são divididos em categorias definidas pelas principais características: diodos retificadores, de potência, de sinal e diodos rápidos.
Os diodos retificadores são os de uso comum, possuem características médias de potência e baixa velocidade de comutação. São utilizados para conversão de energia AC em DC na freqüência de rede, 50 ou 60 Hz.
Diodos de potência não chegam a ser uma categoria separada, pois são idênticos aos retificadores, porém possuem requisitos de potência mais específicos, como os diodos de alta tensão e de alta corrente.
Diodos de sinal são utilizados em circuitos de áudio, vídeo ou dados e possuem características específicas para essas aplicações. Geralmente são diodos de germânio, por possuírem menor tensão de condução direta, e são mais rápidos que os retificadores. Porém, sua corrente e tensão máximas são baixas.
Os diodos rápidos trabalham em alta frequência, assim como os de sinal, porém possuem maiores correntes e tensões. São utilizados em circuitos de chaveamento em alta freqüência, por apresentarem pequenas perdas de comutação. Uma classe de diodos especiais que possuem essas características é a de diodos Schottky.
Os diodos podem ter encapsulamentos diferenciados, conforma as necessidades e características. Normalmente os diodos de potência possuem encapsulamento metálico para melhorar a dissipação de calor. Abaixo
apresentamos alguns modelos comerciais de diodos e seus respectivos encapsulamentos.
Figura 44: Modelos comerciais de diodos
5.6. Teste de diodos
Um diodo geralmente é testado com o multímetro, pela escala específica de teste de diodos, que a maioria dos modelos de multímetros possui. O teste é representado no multímetro pelo símbolo do diodo.
A primeira etapa consiste em testar a polarização direta. Colocando-se a ponteira positiva no anodo e a negativa no catodo, aparecerá no display o valor da queda de tensão no diodo para um determinado valor constante de corrente fornecido pelo multímetro. Este valor deve estar entre 400 e 800 mV para diodos de silício e 100 e 300 mV para diodos de germânio.
A segunda etapa é testar a polarização reversa, trocando-se a posição das ponteiras. Como o diodo deve estar bloqueado, o multímetro deve mostrar fundo de escala. A figura abaixo mostra como são testados os diodos em polarização direta e reversa.
Figura 45: Teste de diodo em polarização direta (a) e reversa (b)
5.7. Exercícios
1 – Como é constituído um diodo semicondutor?
2 – Como funciona um diodo semicondutor?
3 – O que indica a faixa preta ou cinza no corpo dos diodos semicondutores?
4 – O que significa o parâmetro Vγ num diodo semicondutor?
5 – Quanto vale, aproximadamente a queda de tensão direta num diodo semicondutor?
6 – O que é a tensão zener?
7 – Calcule I, VD e VR nos circuitos abaixo, conforme modelo:
a)
Modelo Ideal
b)
Modelo fonte-resistor:
Vγ = 0,55 V e rD = 8,2 Ω
c)
Modelo fonte: Vγ = 0,6 V
d)
Modelo ideal
e)
Modelo ideal
f)
Modelo fonte: Vγ = 0,75 V
8 – O que significa dizer que um diodo possui corrente direta de 4 A e tensão reversa de 600 V?
9 – Qual é a diferença entre diodos rápidos e diodos retificadores?
10 – Como são testados os diodos com o auxílio de um multímetro? Utilize desenhos, se preferir:
6. RETIFICADORES MONOFÁSICOS A DIODO
Muitos equipamentos eletrônicos são alimentados em corrente contínua, porém devem ser ligados a uma fonte de corrente alternada. Dessa forma, é necessário converter a tensão alternada em tensão contínua e o circuito que realiza essa conversão é chamado de retificador.
Os retificadores são uma categoria de circuito eletrônico que está entre as mais usadas e geralmente utiliza diodos. Alguns retificadores utilizam tiristores, porém são mais utilizados quando se deseja uma tensão variável no circuito de saída.
Os retificadores a diodo podem ser monofásicos ou trifásicos e podem ser de meia-onda ou de onda completa. Abaixo é apresentado o símbolo geral de conversores CA-CC.
6.1. Retificador monofásico de meia-onda
O retificador mais simples que existe é o de meia-onda, chamado assim porque só ocorre condução em metade do ciclo senoidal. O circuito é mostrado abaixo.
Figura 46: Circuito do retificador monofásico de meia-onda
A tensão que alimenta o retificador é senoidal e pode derivar diretamente da rede, porém normalmente é utilizado um transformador a fim de adequar o nível de tensão para o valor desejado, já que a tensão média na saída depende exclusivamente da tensão de alimentação.
O resistor que aparece no circuito na verdade representa a carga, ou seja, o equipamento que será ligado na saída do retificador. Neste caso específico, estamos considerando uma carga puramente resistiva, fazendo com que a onda de corrente tenha o mesmo formato que a de tensão.
Quando a tensão da saída do transformador for positiva (semi-ciclo positivo), o diodo fica polarizado diretamente e a tensão chega ao resistor. Se considerarmos o diodo ideal, a tensão da carga é exatamente igual à V2 nesse semi-ciclo.
Figura 47: Modelo para o semi-ciclo positivo (a) e negativo (b)
Quando a tensão V2 for negativa o diodo fica polarizado reversamente, bloqueando a corrente e impedindo a tensão de chegar à carga. Assim, toda a tensão do transformador fica sobre o diodo (como uma chave aberta). Abaixo são apresentados os gráficos de tensão V2, tensão na carga VO, corrente na carga IO e tensão sobre o diodo VD.
Figura 48: Formas de onda do retificador monofásico de meia-onda
É importante ressaltar que nos semi-ciclos positivos a tensão V2 é aplicada sobre a carga e nos semi-ciclos negativos sobre o diodo. As equações são mostradas abaixo.
Tensão máxima na carga sem Vγ: 𝑉𝑂𝑚= √2 ∙ 𝑉2
Tensão máxima na carga com Vγ: 𝑉𝑂𝑚= √2 ∙ 𝑉2− 𝑉𝛾
Corrente máxima na carga: 𝐼𝑂𝑚 =𝑉𝑂𝑚
𝑅
Tensão média na carga: 𝑉𝑂 =𝑉𝑂𝑚
𝜋 = 0,318 ∙ 𝑉𝑂𝑚
Corrente média na carga: 𝐼𝑂 =𝑉𝑂
𝑅
Tensão eficaz na carga: 𝑉𝑂𝑟𝑚𝑠= 𝑉𝑂𝑚
2
Corrente eficaz na carga: 𝐼𝑂𝑟𝑚𝑠= 𝑉𝑂𝑟𝑚𝑠
Tensão reversa no diodo: 𝑉𝑅𝐷= √2 ∙ 𝑉𝑅 2
Corrente média no diodo: 𝐼𝐷 = 𝐼𝑂
Essas equações são válidas apenas para o caso de uma carga puramente resistiva. Mas é bem comum termos cargas indutivas alimentadas por um retificador. O circuito é mostrado adiante.
Figura 49: Circuito do retificador de meia-onda com carga indutiva
Note que a tensão de carga está definida sobre o indutor e o resistor, que representa normalmente as perdas no cobre de uma bobina de um motor, por exemplo. Devido à característica da bobina de armazenar energia pela corrente que a atravessa, quando a tensão da saída do transformador tornar-se negativa, haverá energia no indutor, que manterá o diodo conduzindo até que toda a energia seja devolvida à fonte. Assim, o ciclo de condução do diodo será maior que meio-ciclo, conforme os gráficos abaixo.
Figura 50: Formas de onda para o retificador de meia-onda com carga indutiva
Neste caso, devido à alteração da forma de onda da tensão na carga, a tensão média também muda, em função de θ, o ângulo de extinção de corrente.
𝑉𝑂 = 𝑉𝑂𝑚
2 ∙ 𝜋∙ (1 − 𝑐𝑜𝑠𝜃)
Esse efeito de arraste de corrente devido ao indutor em geral é indesejado, principalmente porque essa energia que é devolvida para a rede depende da tensão do indutor, que pode ser bastante alta, destruindo o diodo.
Para evitar esse efeito, é utilizado o chamado diodo de roda livre, ligado em antiparalelo com a carga. Esse diodo oferece um caminho fácil para a corrente do indutor quando a tensão da fonte for negativa. Observe o circuito.
Figura 51: Circuito do retificador de meia-onda com diodo de roda livre
Quando a tensão V2 for positiva, o circuito funciona como anteriormente, pois o FDW estará polarizado reversamente e o indutor é carregado. Quando a tensão do transformador fica negativa, o diodo de roda livre é polarizado diretamente, polarizando reversamente o diodo retificador e fazendo com que a corrente do indutor continue circulando por ele.
Figura 52: Circuitos modelo para meio-ciclo positivo (a) e negativo (b)
Assim, mesmo que o diodo só conduza no semi-ciclo positivo, a corrente na carga circula por mais tempo. Vale lembrar que tipicamente a porção indutiva da maioria das cargas é muito mais significativa que a porção indutiva.
Assim, depois que a energia é acumulada no indutor, demora para ser descarregada, o que leva à corrente na carga nem chegar a se extinguir, como mostra os gráficos.
Figura 53: Formas de onda do retificador de meia-onda com diodo de roda livre
Essas formas de onda são válidas apenas para o caso em que 𝑋𝐿≫ 𝑅, ou seja, para os circuitos com alta indutância.
Como a forma de onda de tensão na carga volta a ser como se a carga fosse resistiva, a equação também é igual. A corrente eficaz, devido a quase linearidade, torna-se igual à corrente média. Abaixo são apresentadas as equações que são diferentes do circuito com carga resistiva.
Corrente eficaz na carga: 𝐼𝑂𝑟𝑚𝑠= 𝐼𝑂
Corrente média no diodo retificador: 𝐼𝐷 =𝐼𝑂
2
Corrente média no diodo de roda livre: 𝐼𝐹𝑊𝐷 =𝐼𝑂
2
Este circuito retificador de meia-onda é geralmente aplicado em sistemas mais simples, de baixo custo. Como somente a metade do ciclo de onda é transferido para a carga, a eficiência do retificador de meia-onda é muito baixa, fazendo com que seja um circuito pouco utilizado.
6.2. Retificador de onda completa com trafo de ponto médio
Este tipo de retificador é chamado de onda completa porque transfere energia à carga tanto no semi-ciclo positivo quanto no negativo. Para isso, utiliza um transformador com duas saídas idênticas em série, gerando duas tensões iguais, conforme o circuito abaixo.
Figura 54: Circuito do retificador monofásico de onda completa com transformador de ponto médio
Durante o semi-ciclo positivo, a tensão é positiva na entrada do anodo de D1 e negativa na entrada do anodo de D2, fazendo com que D1 conduza e D2 bloqueie, como mostrado na figura (a) abaixo. No semi-ciclo negativo, é o diodo D2 que conduz e D1 que bloqueia, fazendo a corrente circular como mostrado na figura (b).
Figura 55: Circuitos modelos para semi-ciclos positivo (a) e negativo (b)
Note-se que a corrente circula por D1 ou por D2, em ambos os sentidos no transformador, porém na carga R, a corrente circula sempre pelo mesmo sentido. Assim, no circuito de onda completa, a tensão do semi-ciclo negativo é invertida pela polarização de D2 fazendo com que chegue positiva à carga. As formas de onda de um circuito retificador de onda completa são mostradas adiante.
Figura 56: Formas de onda do retificador de onda completa com transformador de ponto médio
Como é possível observar no gráfico da tensão VO, a eficiência do circuito é bem maior que o de meia-onda, pois durante todo o ciclo de onda há tensão na carga. As equações são mostradas abaixo.
Tensão máxima na carga sem Vγ: 𝑉𝑂𝑚= √2 ∙ 𝑉2
Tensão máxima na carga com Vγ: 𝑉𝑂𝑚= √2 ∙ 𝑉2− 𝑉𝛾
Corrente máxima na carga: 𝐼𝑂𝑚 =𝑉𝑂𝑚
𝑅
Tensão média na carga: 𝑉𝑂 =2∙𝑉𝑂𝑚
𝜋 = 0,636 ∙ 𝑉𝑂𝑚
Corrente média na carga: 𝐼𝑂 =𝑉𝑂
𝑅
Tensão eficaz na carga: 𝑉𝑂𝑟𝑚𝑠= 𝑉𝑂𝑚
√2
Corrente eficaz na carga: 𝐼𝑂𝑟𝑚𝑠= 𝑉𝑂𝑟𝑚𝑠
Tensão reversa no diodo: 𝑉𝑅𝐷= 2 ∙ √2 ∙ 𝑉𝑅 2
Corrente média no diodo: 𝐼𝐷 =𝐼𝑂
2
Num retificador de onda completa, enquanto a tensão do transformador completa um ciclo depois de 360º, a tensão na carga completa um ciclo depois de 180º, pois o ciclo da carga é repetido no semi-ciclo negativo da fonte. Isso faz com que a tensão de carga tenha o dobro da freqüência da rede, diferentemente do retificador de meia-onda, que é igual a da rede. Assim, para retificadores de onda completa, a freqüência de oscilação é:
𝑓𝑜𝑠𝑐 = 2 ∙ 𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒
Um dos problemas desse circuito é a tensão reversa sobre o diodo.
Como o diodo que está bloqueado fica em série com uma das saídas do transformador e a carga, a tensão que fica aplicada sobre seus terminais é o V2
+ V2, ou seja, o dobro. Em circuitos com tensão mais alta deve-se evitar utilizar retificador com transformador de ponto médio, pois há a exigência de diodos com tensão reversa máxima maiores que os normais.
Além disso, nesse circuito existe a obrigatoriedade do transformador ter dupla saída, pois disso depende o funcionamento do circuito. O circuito de meia-onda pode ser ligado direto à rede, sem a necessidade de um
transformador. Já o circuito de onda completa visto não pode ser ligado diretamente à rede, pois deve existir o transformador com saídas simétricas.
Para este circuito, não será analisado o caso com carga indutiva, já que este circuito normalmente é substituído por um retificador em ponte, cuja análise para carga indutiva é a mesma.
6.3. Retificador de onda completa em ponte
Também chamado de ponte retificadora, o circuito retificador monofásico de onda completa em ponte se utiliza de 4 diodos para fazer o mesmo efeito que o circuito anterior. Observe o circuito.
Figura 57: Circuito do retificador monofásico de onda completa em ponte
No semi-ciclo positivo, a tensão no anodo de D1 e no catodo de D4 é positiva e no anodo de D2 e no catodo de D3 é negativa. Dessa forma, D1 e D3
estarão conduzindo e D2 e D4 bloqueados, como mostra a figura (a) abaixo. No semi-ciclo negativo a situação se inverte, com D2 e D4 conduzindo e D1 e D3
bloqueados.
Figura 58: Funcionamento da ponte retificadora no semi-ciclo positivo (a) e negativo (b)
Note que a corrente circula pela fonte em ambos os sentidos, pois a corrente é alternada. Já no resistor de carga, a corrente circula sempre pelo mesmo sentido, pois ocorre a inversão do sentido quando mudam os diodos que estão conduzindo mudam.
As formas de onda são exatamente iguais às do retificador de ponto médio, com exceção de que a tensão reversa sobre os diodos é igual a VOm e não duas vezes, como no circuito anterior. Assim, a tensão reversa sobre os diodos será:
𝑉𝑅𝐷= √2 ∙ 𝑉2
Além disso, como a corrente passa por dois diodos, se a queda de tensão for considerada, deve-se adotar para a tensão máxima na carga:
𝑉𝑂𝑚= √2 ∙ 𝑉2𝑟𝑚𝑠− 2 ∙ 𝑉𝛾
Geralmente a ponte retificadora é representada em outro formato, como mostrado no circuito adiante.
Figura 59: Formato comum para a ponte retificadora
A configuração com 4 diodos da ponte retificadora é tão utilizada que os fabricantes disponibilizam pontes retificadoras encapsuladas, de forma a facilitar a instalação e projeto, além de simplificar a dissipação. A grande desvantagem é que se houver algum problema, deve-se trocar a ponte inteira.
Abaixo são mostrados alguns modelos de ponte encapsulada.
Figura 60: Modelos comerciais de pontes retificadoras
Da mesma forma que no circuito de meia-onda, um retificador em ponte também pode alimentar uma carga indutiva. O circuito é mostrado abaixo.
Figura 61: Ponte retificadora com carga indutiva
Como no caso anterior, o indutor armazena energia, porém, como sempre há algum par de diodos conduzindo, a corrente da carga torna-se contínua. Abaixo são mostradas as formas de onda de um circuito retificador de onda completa em ponte para o caso em que 𝑋𝐿 ≫ 𝑅.
Figura 62: Formas de onda de um retificador de onda completa com carga indutiva
Note que a corrente na carga é constante, devido ao acúmulo de energia no indutor. Logicamente que existe uma pequena oscilação devido ao decrescimento da tensão da fonte, mas este valor é tipicamente muito pequeno. A corrente do transformador é idêntica à da carga, porém quando os diodos D2 e D4 estiverem conduzindo, será negativa no transformador, mas positiva na carga, devido à inversão do sentido nos diodos.
A tensão média e a tensão eficaz são calculadas da mesma forma que no circuito com carga resistiva, já que a forma de onda é igual, assim como a corrente média na carga. A corrente eficaz na carga é igual à corrente média, já que é constante. A corrente nos diodos é função da corrente de carga.
Observe.
𝐼𝑂𝑟𝑚𝑠 = 𝐼𝑂 𝐼𝐷 =𝐼𝑂
2
O circuito retificador em ponte é de longe o mais utilizado, principalmente pela boa eficiência e pela simplicidade. Quando é exigido alto nível de corrente nos diodos, acaba se tornando caro devido o preço de cada diodo. Outra desvantagem é a queda de tensão pelos dois diodos. A tabela a seguir compara os 3 tipos de retificador e suas vantagens e desvantagens.
Tabela comparativa entre os 3 tipos de retificadores monofásicos
Característica Meia-onda Ponto médio Ponte
Ângulo de condução 180º 360º 360º
Quantidade de
diodos 1 2 4
Transformador Não necessário Com saída simétrica Não necessário Queda de tensão nos
diodos 𝑉𝛾 𝑉𝛾 2 ∙ 𝑉𝛾
Tensão reversa nos
diodos √2 ∙ 𝑉2 2 ∙ √2 ∙ 𝑉2 √2 ∙ 𝑉2
Custo Baixo Médio para alto Alto em correntes
maiores
Eficiência Baixa Alta Alta
6.4. Filtro capacitivo para retificadores a diodo
Quando observamos a forma de onda na saída dos retificadores apresentados anteriormente, fica difícil associar o formato da tensão com uma tensão contínua. Na verdade, é uma tensão contínua, mas é também pulsante, pois a tensão possui uma única polaridade, apesar do valor instantâneo não ser constante.
Para diminuir essa variação do valor instantâneo da tensão de carga, utiliza-se geralmente um capacitor em paralelo, que é carregado pelo pico de tensão de carga e, quando a tensão da fonte diminui, este mantém a tensão em um nível mais alto até que venha novo pulso.
Na prática, o capacitor faz a tensão de carga variar mais lentamente,
Na prática, o capacitor faz a tensão de carga variar mais lentamente,