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Aula02            Indice de Aulas       Aula04  
Eletrônica Básica
Aula 03: O Diodo  de Junção
Referencias
MALVINO, Albert. Eletronica V1
ALBUQUERQUE, R.O. ; PINTO, L.  F. Eletronica Analogica. V2.  São Paulo: Fundação Pe. Anchieta
SEDRA,
A. Microeletronica

1.  Diodo  de Junção
     Um diodo  é um dispositivo construído  a partir de uma junção PN, portanto  deixará que   a corrente passe somente num único sentido quando adequadamente polarizado  (polarização direta), bloqueando a corrente quando a polaridade da tensão  inverter (polarização reversa). Observe que o simbolo mostra essa condição.
Obs: Não iremos detalhar a parte  física do diodo, ficando  a seu critério buscar essas informações   na bibliografia que  é adotada.
A Figura 1  mostra   o diodo com a indicação dos dois terminais , anodo (A) e catodo (K), o simbolo,  bem como o aspecto fisico de um diodo comercial
                                  
                                                 ( a )                                                                                                     ( b )


( c )
Figura 1 - ( a ) Aspectos construtivos ( b ) Símbolo )      ( c )  aspecto fisico

1.1.  Diodo polarizado diretamente
     Para o diodo conduzir, mesmo em polarização  direta, é necessário que a tensão externa aplicada seja de pelo menos 0,7 V (para vencer a barreira de potencial). Em condução um diodo apresenta uma  queda de tensão de aproximadamente 0,7 V (diodo de Si). No circuito da Figura 2 a  a  corrente no circuito é de   aproximadamente  11,3mA, pois como o mesmo está polarizado diretamente a queda de tensão no diodo é 0,7 V e na resistencia 11,3 V, logo a corrente é 11,3V/1k = 11,3 mA.


Figura 2 - Circuito com o diodo polarizado diretamente

1.2. Diodo polarizado reversamente  
         Com polarização reversa a corrente  no diodo  será muito baixa (da ordem de nA para diodos de Si), de forma que do ponto de vista prático   será zero. Esta corrente reversa também chamada de corrente de fuga só depende  de aspectos  construtivos (dopagem) e da temperatura (dobra de valor para cada 10 graus de aumento na temperatura). Observe que  quando polarizado reversamente toda a tensão da fonte cairá entre os terminais do diodo, que deverá ter capacidade para  suportar essa tensão reversa, caso contrário pode ocorrer um fenômeno chamado de  avalanche o que pode levar à destruição do diodo.



Figura 3 - Circuito com o diodo polarizado reversamente

1.3. Modelos (circuitos equivalentes) para o diodo
     Modelar um  dispositivo eletrônico, é usar componentes básicos tais como resistências, fontes de tensão, fontes  de corrente e  capacitâncias para representa-lo, permitindo desta forma que usar as leis de circuito para estuda-lo. O construtor de um simulador modela um componente eletrônico a partir das informações fornecidas pelo fabricante do componente, desta forma ao simular um circuito os resultados serão semelhantes aos obtidos em um circuito real.

Se voce estudou o curso de Eletricidade Basica compreenderá melhor esse conceito. A Figura 4a mostra uma bateria ligada a uma lampada. Não é possivel calcular a corrente no circuito assim representado, é necessario substituir pelo circuito equivalente ou modelo, Figura 3b. Agora sim é possivel usar leis de circuito para o calculo da corrente.


         ( a )                                                                        ( b )
Figura 4 -  ( a ) Circuito a ser modelado   ( b ) circuito equivalente da bateria e lampada



1.3.1.  Modelo 1 - diodo ideal
          O modelo mais simples do diodo considera-o como sendo uma chave que é controlada pela tensão aplicada no diodo. Se a tensão é positiva a chave fecha, se é negativa a chave abre. O diodo se comporta de forma ideal. A Figura 5 mostra a curva caracteristica do diodo assim modelado.





Figura 5 - ( a ) Curva característica do diodo ideal ( b ) circuitos equivalentes na condução (V>0) e corte (V<0)

A Figura 6 mostra dois circuitos, com diodo e com a chave fechada representando o diodo. Como pode ser notado existe uma diferença entre as duas medidas, mas o erro pode ser desprezado.



Figura 6 - ( a ) Circuito com diodo  ( b ) circuito com o modelo simplificado (chave fechada)


     A pergunta que fica é: Podemos usar esse modelo sempre? Vamos responde-la considerando outro exemplo. Consideremos que a bateria do circuito da Figura 6 muda de valor, passando a valer 1,5 V. Resulta o circuito da Figura 7.


Figura 7 - ( a ) Circuito com diodo  ( b ) circuito com o modelo simplificado (ideal)  é inadequado  (erro grande)

Observe que neste caso o erro entre as duas corrente é de aproximadamente 100% . Neste caso não podemos mais usar o modelo da chave fechada para representar o diodo. O  modelo deve ser melhorado.


1.3.2.   Modelo 2 - Bateria
        O modelo anterior pode ser melhorado considerando-se que ao conduzir o diodo pode ser substituido por uma bateria de 0,6 V/0,7 V . Se a tensão aplicada no diodo for maior que 0,6 V/0,7 V o diodo será substituido por uma bateria de 0,6 V/0,7 V . Para uma tensão menor que 0,6 V/0,7 V o diodo será um circuito aberto. Alguns autores usam 0,6 V e outros 0,7 V, não faz  diferença significativa na maioria dos casos.




                              ( a )                                                      ( b )
Figura 8  - ( a ) Circuito com diodo  ( b ) circuito com o modelo com bateria

A Figura 9  mostra as medidas em um circuito com diodo e no circuito equivalente com a bateria de 0,6 V/0,7 V substituindo o diodo.




Figura 9 -  ( a ) Circuito com diodo  ( b ) circuito com o modelo com bateria

Como pode  ser  observardo  os valores são muito próximos. O modelo anterior pode ser melhorado mais ainda se substituirmos o diodo por uma bateria em serie com uma resistência (resistência CC do corpo do diodo) para V>0,6 V.


1.3.3.  Modelo 3 - Bateria e Resistência (modelo linearizado por trechos de retas)
   A Figura 10 mostra a curva característica linearizada por dois trechos de reta.


                   ( a )                                                                                   ( b )
Figura 10  -  ( a ) Circuito com diodo  ( b ) circuito com o modelo com bateria e resistencia do diodo (RD)


A Figura 11 mostra as medidas em um circuito com diodo e no circuito equivalente com a bateria de 0,6 V em serie com uma resistência de 50 Ohms substituindo o diodo




Figura 11 - ( a ) Circuito com diodo  ( b ) circuito com o modelo linearizado por trechos de reta


     Observar que os resultados são muito próximos, desta forma o modelo a a ser adotado depende dos valores da bateria e da resistência do circuito. Se a tensão da fonte for muito maior do que 0,6 V  podemos usar o modelo simplificado, caso contrario deve ser usado o penúltimo ou o ultimo modelo. A grande dificuldade de usar esse modelo é conhecer o valor da resistencia direta do diodo, por isso mesmo os dois primeiros modelos são mais usados.

1.4.  Determinação do Ponto Quiescente (Ponto Q) usando o modelo
           O ponto quiescente é o ponto de operação do diodo (corrente e tensão) pode ser determinado através do modelo.
Por exemplo, na Figura 12, se usarmos o modelo 2 (bateria) a corrente pode ser estimada por:





Figura 12 -   Determinando o ponto quiescente analiticamente  usando o modelo de bateria


1.5.  Determinação do Ponto Quiescente Através da Analise Gráfica
        O ponto quiescente pode ser determinado graficamente se a curva característica for conhecida. Na Figura 12 a equação do circuito é:

   VCC=R.ID + VD

       Se a mesma for representada grafica, é uma reta no plano IDxVD (curva caracteristica do diodo). Essa reta intercepta o eixo vertical (ID) no  ponto Vcc/R e o eixo horizontal em Vcc. A intersecção da reta com a  curva determina o ponto de operação (ponto Q) que é o valor da corrente no diodo, portanto no circuito, e a tensão nos terminais do diodo, Figura 13.

                                                                                         ( a )

                                                                                 ( b )
Figura 13 -   ( a ) Determinando graficamente o ponto quiescente  ( b ) detalhe (escala ampliada)

2.  Experiência:  Diodo - Polarização e curva caracteristica
2.1 Abra o arquivo    ExpEN_01 Polarização do diodo e curva caracteristica  (Arquivo Proteu)identifique os circuitos da Figura 14. Inicie a simulação  anotando as correntes  e a tensão no diodo para as duas situações indicadas.

Polarização direta

I(calc)=_________   I(med)=________

Polarização Reversa
IS(modelo)=_________   IS(Med)=________
Obs: IS(modelo) é a corrente de fuga quer você obtêm quando dá duplo clique no simbolo do diodo e entra no modelo.



Figura 14 - Polarização do diodo  experiencia 1 ( a ) direta ( b ) reversa

2.2 . Abra o arquivo    ExpEN_01 Polarização do diodo e curva caracteristica     identifique o circuito da figura 14. Para  cada valor de U da tabela 1 meça a corrente. Com os dados da tabela 1 desenhe o grafico de IxU (curva caracteristica) para isso use papel milimetrado ou use o Excel.

Tabela 1 - levantando dados para desenhar a curva cacteristica do diodo IdxVd
VD(mV)300400500550590600640
680
700
ID(mA)

Figura 15 - circuito para obter a curva caracteristica


3.  Experiencia:  Modelos do diodo
3.1. Abra o arquivo ExpEN1_02 Modelos do diodo (Arquivo Proteus)e identifique o circuito da Figura 16. Inicie a simulação. Meça a corrente no diodo e a  corrente no circuito com chave e no circuito com bateria, primeiramente considerando a bateria de 20 V que polariza o diodo. Calcule o erro porcentual entre a medida no diodo e nos circuitos com modelo.

               ( a )                                            ( b )                                                ( c )
Figura 16 - Modelos do diodo ( a ) circuito com diodo ( b ) modelo com chave fechada ( c ) modelo com bateria

I(diodo)=___________  I(modelo chave fechada)=______________ I(modelo bateria)=______________

erro%=_______ (modelo chave fechada - ideal)        erro%=_______ (modelo bateria)


3.2.  Abra o arquivo ExpEN1_02 Modelos do diodo e identifique o circuito da Figura 17. Inicie a simulação. Meça a corrente no diodo e a  corrente no circuito com chave no circuito com bateria e no circuito com bateria e resistencia. Considere agora a bateria de 2 V que polariza o diodo. Calcule o erro porcentual entre a medida no diodo real e nos circuitos com modelo (ideal, bateria, bateria+resistencia).



Figura 17 -  Modelos do diodo ( a ) circuito com diodo ( b ) modelo com chave fechada ( c ) modelo com bateria ( d ) modelo com bateria de 0,6 V e resistencia de 5 ohms


I(diodo)=_______  I(modelo chave fechada)=_________ I(modelo bateria)=_______I(modelo bateria +resistencia)=______

erro%=_______ (modelo chave fechada - ideal)        erro%=_______ (modelo bateria)      erro%=_______ (modelo bateria+resistencia)
             
5.2. Escreva as suas conclusões:

6. Exercicio proposto
O diodo no circuito está aberto. Qual a indicação de cada instrumento?

V1=_________        V2=_________     A=_____________


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