Diodo Zener
O diodo tem como modelo, nas três possíveis aproximações, uma fonte de tensão, dada pela barreira de potencial, e uma chave, que terá seu estado definido pela tensão de polarização. Quando a polarização é reversa, o diodo funciona como uma chave aberta.
Entretanto, quando essa polarização reversa atinge a tensão de ruptura, o diodo passa a conduzir, funcionando também como uma chave fechada, de forma similar à polarização direta.
A região da curva característica, a qual o diodo conduz com polarização reversa, é chamada de região Zener. Assim, é possível criar diodos que operem nessa região, chamados de diodos Zener. O símbolo em diagramas eletrônicos desse diodo difere levemente do diodo comum.
Como visto anteriormente, a camada de depleção cria uma diferença de potencial entre suas extremidades, a chamada barreira de potencial. Ao polarizar o diodo reversamente, a tensão em seus terminais aumentará essa camada de depleção, aumentando consequentemente a barreira de potencial.
Segundo essa análise, a fonte de tensão do modelo do diodo permanecerá, no entanto com um valor maior, e a chave do modelo será sempre fechada. Isso significa que o diodo Zener será usado para forçar um valor de tensão (sua tensão de ruptura) no ramo do circuito a que ele é conectado.
Pode-se controlar a tensão de ruptura (localização da região Zener) variando-se os níveis de dopagem do silício. Um aumento na dopagem, que produz um aumento no número de impurezas adicionais, diminuirá o potencial de ruptura. Diodos Zener são disponíveis ara tensões de 1,8 a 200 V, com potência variando entre 1/4 a 50W.
A análise de circuitos empregando diodos Zener é bastante similar àquela aplicada a diodos convencionais. Primeiramente determina-se o estado do diodo e, em seguida, substitui-se o diodo pelo modelo correspondente.
Como o diodo Zener funciona na região de ruptura, sua conexão deve ser de polarização reversa, com o catodo no maior potencial e o anodo no menor potencial. Se a tensão de polarização for maior ou igual a tensão Zener VZ (de ruptura), o modelo será de uma fonte de tensão (figura a), se a tensão for menor que a tensão Zener (e maior que zero), seu modelo será de um circuito aberto. Analisando um circuito simples com um diodo Zener:
Primeiro é necessário determinar o estado do diodo, removendo-o do circuito e calculando a tensão através do circuito aberto resultante.
No circuito acima, a tensão nos terminais do diodo (V) é:
V =VL= RL
R+RL Vi
Se V ≥ VZ, o diodo está “ligado” e deve ser substituído pelo modelo (a) da figura anterior. Caso contrário, o modelo a ser usado é o da figura (b). Considerando que o diodo está ligado, temos o circuito abaixo:
Como a resistência da carga está em paralelo com o diodo, suas tensões são iguais:
VL=VZ
A corrente no diodo é determinada pela LCK:
IZ=IR−IL onde: IL=VL RL e IR=VR R = Vi−VL R
A potência dissipada pelo diodo será PZ = VZIZ, que deve ser menor que a potência nominal do diodo, informada na folha de dados do dispositivo.
É importante notar que, quando o diodo está “ligado” a tensão em seus terminais será constante (fixa), não alterando mesmo que a tensão da fonte Vi aumente. Um aumento nessa tensão aumentará a corrente que atravessa o diodo, podendo danificá-lo.
Se o diodo não está “ligado”, então ele funcionará como um circuito aberto, e a tensão na carga variará conforme o comportamento do circuito como um todo.
Exemplo: (a) Ache VL, VR, IZ, e PZ. (b) Repita para RL = 3 kΩ.
(a) O primeiro passo é determinar a polarização do diodo, removendo-o do circuito e calculando a tensão em seus terminais.
V =VL= RL
R+RLVi=
1,2(k Ω)
1(k Ω)+1,2(k Ω)16(V )=8,73V
Como a tensão nos terminais do diodo é menor que sua tensão de ruptura (VZ = 10 V), então o diodo funcionará como uma chave aberta. Nesse caso:
(b) Repetindo o procedimento inicial para RL = 3 kΩ:
V =VL= RL
R+RLVi=
3(k Ω)
1(k Ω)+3(k Ω)16 (V )=12V
Portanto, o diodo está “ligado”, e o modelo a ser usado é indicado na figura abaixo:
VL = VZ = 10 V VR = Vi – VL = 16 – 10 = 6 V e IL= VL RL= 10 3000=3,33 mA IR=VR R = 6 1000=6 mA IZ=IR−IL=6−3,33=2,67 mA PZ=VZIZ=10⋅2,67=26,7 mW
que é menor que a potência especificada PZM = 30 mW, não acarretando portanto em dano para o dispositivo.
Diodo Emissor de Luz (LED)
Os materiais semicondutores, quando recebem uma energia externa (térmica ou luminosa), liberam elétrons de sua camada de valência, tornando-os elétrons-livres e fazendo com que o material passe a se comportar como condutor.
O processo inverso também ocorre. Quando polarizado, os semicondutores permitem uma recombinação de elétrons e lacunas (elétrons livres voltando para as camadas de valência). Nesse processo é liberada energia para o meio externo (térmica ou luminosa).
Para os diodos de junção a base de silício, a recombinação de elétrons e lacunas liberam energia na forma de calor. Para diodos formados por outros compostos semicondutores, por exemplo o fosfeto de arsenieto de gálio, fosfeto de alumínio e gálio ou o nitrato de índio e gálio, essa recombinação libera energia na forma de fótons, produzindo uma luminescência.
Tais diodos, portanto, são usados para emitirem luz ao serem polarizados, por isso chamados de diodos emissores de luz (light-emitting diode – LED). Como todos os diodos de junção, eles terão um comportamento de uma chave dependente da polarização, quando estiverem conduzindo (em polarização direta) eles emitem luz.
Em geral os LEDs possuem uma corrente de operação baixa (os mais comuns tem corrente entre 10 e 30 mA), variando de acordo com a potência e luminescência. Assim, para conexão do LED em circuitos eletrônicos, é comum usar um resistor em série para limitar o valor da corrente que o atravessa.
Atualmente existem LEDs em várias frequências, indo do infravermelho ao ultravioleta, passando por todas as cores primárias (do arco-íris) do espectro visível. Além disso, existem dispositivos que combinam três LEDs em um esquema RGB que é capaz de reproduzir quase todas as cores possíveis.
As aplicações de LED são extensas, além de circuitos eletrônicos. Podemos citar: semáforos, lanternas de veículos, iluminação de ambientes internos e externos, telecomunicações, visão computacional, etc.
Algumas vantagens no uso de LED como fonte de luz são: • eficiência: possuem, em geral, mais lumens/watt
• cor: reproduzem praticamente todas as cores sem a necessidade de filtros • tamanho: podem chegar a menos de 2 mm de comprimento
• tempo de ligamento: passam a produzir luminosidade quando acionados em um tempo muito curto
• tempo de desligamento: interrompem a produção de luminosidade também de forma rápida • dimming: são mais simples e eficientes no controle de luminosidade
• luz fria: não produzem calor (radiação infravermelha), não danificando equipamentos sensíveis a IR
• vida útil: possuem duração mais elevada com relação às lâmpadas incandescentes e de descarga
• resistência a choque: por se tratar de materiais em estado sólido, são mais resistentes a choques mecânicos
Entretanto os LEDs também possuem algumas desvantagens, tais como:
• preço: comparando preço/lumen, os LEDs são mais caros que outras fontes de luz
• dependência com a temperatura: sua performance depende fortemente da temperatura de operação
• difusão não esférica: a difusão de dispositivos de LED não é homogênea, necessitando lentes e difusores para iluminação de ambientes
• polarização elétrica: por serem dispositivos de corrente contínua (geralmente), necessitam de um circuito adicional para funcionamento
• risco da luz azul: LEDs usados em iluminação pública emitem altas emissões de luz azul prejudiciais ao olho humano
• poluição luminosa: como eles emitem mais luzes em altas frequências, eles causam maior poluição luminosa em áreas urbanas
• ambiente: há estudos que dizem que LEDs atraem mais insetos, podendo causar alteração na cadeia alimentar
• uso em climas frios: como não há produção de calor, quando semáforos e postes de luz com LEDs são cobertos por neve, ela não derrete, podendo causar acidentes
Diodo Schottky
Em baixas frequências, um diodo comum pode entrar em corte facilmente quando a polarização muda de direta para reversa. Com o aumento da frequência, entretanto, o diodo atinge um ponto em que ele já não pode entrar em corte com rapidez suficiente para evitar uma corrente durante o período do semiciclo reverso. Esse efeito é conhecido como armazenamento de carga.
Quando um diodo está diretamente polarizado, alguns portadores da camada de depleção ainda não se recombinaram. Se o diodo tiver sua polarização invertida repentinamente, esses portadores podem circular no sentido inverso por um breve instante. O tempo que leva para um diodo entrar em corte quando reversamente polarizado é chamado de tempo de recuperação reversa.
Para casos onde a frequência do sinal é elevada, é necessário um diodo com um chaveamento mais rápido. O diodo de barreira Schottky (SBD) é formado colocando-se um metal em contato com um material semicondutor tipo n moderadamente dopado. A junção resultante comporta-se como um diodo, conduzindo corrente em uma direção (do anodo do metal para o catodo do semicondutor), e atuando como um circuito aberto na outra.
Esse tipo de diodo não possui camada de depleção, o que elimina as cargas armazenadas na junção. A falta de cargas armazenadas significa que o diodo pode entrar em corte mais rápido que um diodo de junção pn.
Outra característica importante é que a queda de tensão direta de um diodo SBD em condução é menor que aquela em um diodo de junção pn. Por exemplo, um diodo SBD feito de silício exibe uma queda de tensão direta de 0,3 a 0.5 V, comparada à queda de 0,6 a 0,8 V encontrada em um diodo de silício.
A aplicação mais importante de dispositivos da família Schottky (diodos e transistores) é em circuitos lógicos e microprocessadores. A velocidade de operação dos computadores é dependente da velocidade de chaveamento dos diodos e transistores que formam suas unidades lógicas, permitindo a mudança de um nível lógico para outro. Além de circuitos lógicos, esses diodos são amplamente utilizados em fontes chaveadas.
O símbolo para representação de um diodo Schottky em diagramas de circuito é ilustrado na figura abaixo.
