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Resumo    da    Teoria Problemas Resolvidos Problemas + Difíceis

1. Teoria Básica

Devido a dificuldades que muitos estudantes enfrentam ao estudar diodos, optamos por começar a estudá-los baseado no princípio dos antigos diodos, tipo válvulas eletrônicas, também muito conhecidos pelo nome de diodos à vácuo.

2. Diodos à Vácuo

Assim que o engenheiro americano Thomas Edson inventou a lâmpada incandescente, final do século XIX, baseado no princípio de um filamento, normalmente fabricado com o elemento químico tungstênio (nos dias de hoje), alimentado com uma tensão elétrica e encapsulado em um bulbo de vidro a baixa pressão, surgiram várias experiências que levaram a um desenvolvimento tecnológico bastante revolucionárias para a época.

No início do século XX, os cientistas já tinham conhecimento de elementos químicos que quando eram submetidos a altas temperaturas, os elétrons ganhavam energia cinética suficiente para se libertarem dos seus átomos e criar uma nuvem de carga elétrica na superfície do metal. Bastava colocar outro eletrodo, com polaridade adequada, próximo ao primeiro, para estabelecer uma corrente elétrica entre eles. E assim, nasceu a válvula eletrônica.

Na figura abaixo, mostramos uma representação esquemática de como é a distribuição dos eletrodos no interior de uma válvula eletrônica. Repare que o cátodo possui um formato cilíndrico, envolvendo completamente o filamento. Quando aplicamos uma tensão elétrica ao filamento, este fica rubro e consegue chegar a uma temperatura ao redor dos 1000°C. Esta elevada temperatura do filamento, faz com que o cátodo, indiretamente, se aqueça e libere elétrons. O filamento, em geral, trabalha com uma tensão de 6,3 VAC. Existem válvulas que trabalham com tensões diferente desta. Este tipo de construção de válvulas eletrônicas, com o eletrodo cátodo incorporado, são chamadas de válvulas de aquecimento indireto. Isto devido ao fato das primeiras válvulas não possuírem cátodo. Quem era responsável em emitir elétrons era o próprio filamento. O incoveniente era que o filamento, obrigatoriamente, deveria ser alimentado por corrente contínua, pois não deveria haver variações de tensão no eletrodo. Este tipo de válvula foi chamada de válvula de aquecimento direto. Caiu em desuso rapidamente.

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O cátodo por sua vez é aterrado, assumindo uma carga negativa em relação ao ânodo. No meio técnico, o ânodo é mais conhecido como placa. A placa é o eletrodo que recebe a tensão positiva em relação ao cátodo. Esta tensão positiva, gera um campo elétrico entre os dois eletrodos. Porém, sabemos que uma carga elétrica sofre uma força quando está sob efeito de um campo elétrico. E conhecemos sua magnitude, que é expressa pela relação abaixo:

F = q. E

Esta força acelera o elétron em direção à placa. Desta forma, estabelece-se uma corrente elétrica entre o cátodo e placa. Mas sabemos que a carga do elétron é constante, ou q = 1,6. 10-19 C. Então, a única maneira de aumentarmos a força exercida sobre os elétrons é aumentando o valor do campo elétrico. E isso é muito fácil de providenciar. Basta aumentar a tensão elétrica da placa. Logo, uma das maneiras de controlar a corrente elétrica através do diodo é variando a tensão de placa. Na figura abaixo apresentamos um gráfico mostrando a dependência da corrente no diodo em função da tensão de placa.

graph61-7J.png

Por outro lado, fica evidente que quando aplicamos na placa uma tensão negativa em relação ao cátodo, NÃO há fluxo de corrente elétrica no diodo, pois a força age no sentido de manter os elétrons no cátodo. Logo concluímos que:

valv_diodo61-1J.png

Pode-se acessar um video mostrando a construção de válvulas eletrônicas, passo-a-passo,   Clicando Aqui!.

3. Diodo Semicondutor

O diodo semicondutor, inicialmente, foi uma alternativa ao diodo à vácuo, haja vista que este necessitava de uma boa potência para funcionar adequadamente. Por sua vez, o diodo semicondutor, como não tinha filamento, praticamente não consumia potência.

Semicondutores são substâncias químicas que apresentam uma natureza cristalina e possuem propriedades entre os condutores e os não condutores.

circ61-4J.png

Na figura acima mostramos o símbolo utilizado para representar um diodo.

Basicamente, existem dois tipos de semicondutores que nos interessam: os do tipo "N" e os do tipo "P". Os semicondutores do tipo "N" são aqueles que apresentam um excesso de elétrons. Os do tipo "P", por sua vez, são aqueles que apresentam uma falta de elétrons.

Para que possamos construir um diodo, há necessidade de se juntar, de forma muito especial, uma certa quantidade de material tipo P com uma certa quantidade de material do tipo N. A esta associação denominamos de junção P-N. Se esta junção for submetida a um campo elétrico com orientação adequada, esta junção P-N permitirá a passagem da corrente elétrica. Caso a orientação do campo elétrico seja invertida, cessará completamente a passagem da corrente elétrica pela junção. E este comportamento caracteriza um DIODO.

graph61-6J.png

Na figura acima podemos ver a curva caracterítica que um diodo semicondutor apresenta, quando submetido a uma polarização. A situação de polarização direta, ou seja, quando permite a passagem da corrente elétrica, está representada no primeiro quadrante do gráfico. Note que para uma corrente ID genérica (em condução) temos uma tensão de 0,7 volts sobre o diodo. Na figura aparece o chamado joelho, que é o ponto onde o diodo começa a conduzir. Em condições normais esta tensão é da ordem de 0,5 volts. Abaixo desta tensão podemos afirmar que não há corrente circulando pelo diodo.

Por outro lado, no terceiro quadrante, temos representada a situação de polarização reversa, onde o diodo não permite a passagem da corrente elétrica. Ao aumentarmos a tensão reversa, o diodo atinge a chamada tensão de ruptura, caracterizada por um aumento violento da corrente elétrica em sentido contrário, danificando o dispositivo.

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circ61-6J.png

Nas duas figuras mostradas acima, representamos os dois estados em que um diodo pode estar: em condução ou em corte.

Repare que na figura da esquerda, onde representamos o diodo em condução, isto é, com a polaridade positiva no ânodo,temos VD = 0,7 volts. Nesta situação temos ID ≠ 0.

Por outro lado, na figura da direita, temos a situação em que o diodo está em corte. A polaridade negativa de V está no ânodo. Assim, temos ID = 0.


4. Diodo na Zona de Condução

Podemos dizer que um diodo, qualitativamente, apresenta uma alta resistência para polarização reversa e uma baixa resistência para polarização direta. Ou seja, pode comportar-se como uma chave (como aproximação do modelo). Logo, com polarização direta é uma chave ligada, enquanto com polarização reversa é uma chave desligada.

Quando diminuímos a barreira de potencial de um diodo, ele entra na chamada zona de condução. Nesta zona, comporta-se quase como um curto-circuito, permitindo a passagem de corrente elétrica. A equação abaixo, relaciona a corrente elétrica e a tensão sobre o diodo.

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eq 61-1

A definição das variáveis envolvidas na equação são:

A corrente inversa de saturação Io, para diodos de pequenos sinais usados em circuitos de baixa potência, e que apresentam uma área da junção P - N   muito pequena, é da ordem de 10-15A. Entretanto, ela é altamente dependente da temperatura, normalmente duplicando a cada aumento de 10° C.

Por outro lado, a   tensão térmica   VT   é dada pela equação abaixo:

eq61-2J.png
eq 61-2

Neste caso as variáveis envolvidas na equação são:

Para uma temperatura de 20°C, o valor da tensão térmica, após o cálculo, é de aproximadamente 25,2 mV. Adotaremos, neste site, como regra geral para resolvermos problemas, o valor de VT = 25 mV em temperatura ambiente.

Na condição do diodo polarizado diretamente, a corrente ID é muito superior a corrente Io, e por isso podemos aproximar a eq 61-1, equação da corrente no diodo, fazendo a seguinte simplificação:

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eq 61-3

Se para uma dada condição, temos   I1 = Io. e V1/ η VT e para uma segunda condição, temos   I2 = Io. e V2/ η VT, então se dividirmos a segunda equação pela primeira, vamos obter I2 / I1 = e ( V2 - V1)/ η VT. Agora, se nesta equação, aplicarmos a função logarítmo natural nos dois membros, eliminamos a função exponencial e ficamos com a logarítmo. Se por outro lado, substituirmos o logarítmo natural pelo logarítmo decimal, devemos multiplicar pelo fator 2,3. Assim, obtemos a relação conforme mostra a equação abaixo.

eq61-4J.png
eq 61-4

Vamos supor que I2 = 10. I1. Ao aplicarmos a função logarítmo a esta relação, percebemos que a diferença entre V2 e V1 aumentou por um fator de   2,3 η VT. Isto significa que a cada década, a tensão no diodo sobe de aproximadamente 60 mV se η = 1 e de 120 mV se η = 2. Como, normalmente, não se conhece o valor de η, costuma-se adotar nos projetos o valor de   2,3. η. VT = 0,1 V / década.

Devemos ressaltar, que devido ao aumento brusco da corrente no momento que ultrapassa o joelho da curva característica, há uma grande variação de valores na corrente elétrica que passa pelo diodo, entretanto a queda de tensão sobre ele fica restrita a uma faixa estreita, entre 0,6 e 0,8 volts. Em geral, nos cálculos, adota-se o valor de VD = 0,7 volts como padrão.

5. Dependência da Temperatura

Pelo fato da tensão e da corrente elétrica no diodo, depender de VT e Io, e como estes são função da temperatura, é lógico que a curva I - V do diodo também dependerá da temperatura. Considerando uma dada corrente constante, a tensão sobre o diodo diminui de aproximadamente - 2,2 mV/°C. Isto é, sua variação possui uma característica negativa. Quanto mais aumenta a temperatura, menor será a tensão sobre o diodo. Em projetos de amplificadores de potência, esta característica deve ser levada muito a sério. Porém, esta é uma característica interessante na construção de sensores, como por exemplo, monitoração de temperatura. Facilmente podemos elaborar um projeto eletrônico que permite-nos medir temperatura usando um diodo como coletor de informação.


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