Os diodos de potência têm o mesmo princípio de funcionamento de um diodo comum, entretanto suas características têm pequenas diferenças em relação a eles.
Isso se deve ao fato de trabalharem com correntes intensas e tensões elevadas. Essas características precisam ser observadas quando utilizarmos tais componentes, por isso devem ser conhecidas.
Como funciona o diodo
Estudamos nas lições do Curso Básico (volume da mesma série) que existem dois tipos de comportamentos dos materiais em relação à capacidade de conduzir a corrente elétrica. Existem os materiais através da qual a corrente pode fluir com facilidade, sendo denominados condutores, e os materiais em que a corrente não pode passar, denominados isolantes.
Dentre os condutores destacamos os metais, os gases ionizados, as soluções iônicas, etc. Dentre os isolantes destacamos o vidro, a borracha, a mica, plásticos, etc.
Há, entretanto, uma terceira categoria de materiais, um grupo intermediário de materiais que não são bons condutores, pois a corrente tem dificuldade em passar através deles, mas não são totalmente isolantes. Nestes materiais, os portadores de carga podem se mover, mas com certa dificuldade. Estes materiais são denominados “semicondutores”.
Dentre os materiais semicondutores mais importantes, que apresentam essas propriedades, destacamos os elementos químicos silício (Si), germânio (Ge) e o Selênio (Se). Numa escala de capacidades de conduzir a corrente, eles ficariam em posições intermediárias, conforme mostra a figura 1.
Quando juntamos dois materiais semicondutores de tipos diferentes, P e N formam-se entre eles uma junção que tem propriedades elétricas importantes.
Na verdade, são as propriedades das junções semicondutoras que tornam possível a fabricação de todos os dispositivos semicondutores modernos, do diodo, passando pelo transistor ao circuito integrado.
Para entender como funciona a junção, vamos partir de dois pedaços de materiais semicondutores, um P e outro N, que são unidos, de modo a formar uma junção, conforme mostra a figura 2.
No local da junção, os elétrons que estão em excesso no material N se deslocam até o material P, procurando então lacunas, onde se fixam.
O resultado é que temos elétrons neutralizando lacunas, ou seja, nesta região não temos mais material nem N e nem P, mas sim material neutro. No entanto, ao mesmo tempo em que ocorre a neutralização, uma pequena tensão elétrica passa a se manifestar entre as duas regiões de material semicondutor.
Essa tensão, que aparece na junção, consiste numa verdadeira barreira que precisa ser vencida para que possamos fazer circular qualquer corrente entre os dois materiais. Conforme o fenômeno sugere, o nome dado é “barreira de potencial”, conforme mostra a figura 3.
Esta barreira possui um valor que depende da natureza do material semicondutor usado, sendo da ordem de 0,2 V para o germânio e 0,6 V para o silício.
A estrutura indicada, com dois materiais semicondutores, P e N, forma um componente que apresenta propriedades elétricas importantes e que denominamos “diodo semicondutor”, ou simplesmente “diodo”. É dele que trataremos no próximo item.
O diodo semicondutor
Para fazer uma corrente elétrica circular através de uma estrutura, como a estudada no item anterior, com dois materiais P e N formando uma junção, existem duas possibilidades, ou dois sentidos possíveis: a corrente pode fluir do material P para o N, ou vice-versa.
Na prática, veremos que diferentemente dos corpos comuns que conduzem a eletricidade, a corrente não se comporta da mesma maneira nos dois sentidos.
A presença da junção faz com que um comportamento completamente diferente se manifeste em cada caso.
Vamos então supor inicialmente que uma bateria seja ligada a estrutura formada pelos dois pedaços de material semicondutor que formam a junção, ou seja, à estrutura PN.
O material P é ligado ao polo positivo da bateria, enquanto que o material N é ligado ao polo negativo.
Ocorre então uma repulsão entre cargas que faz com que os portadores de carga do material P, ou seja, as lacunas se movimentem em direção à junção, enquanto que os portadores de carga do material N, que são os elétrons livres, se afastam do polo da bateria sendo empurrados em direção à junção.
Os portadores de carga positivos (lacunas) e os negativos (elétrons) se encontram na região da junção onde, por terem polaridades diferentes se recombinam e são neutralizados.
A recombinação dessas cargas, “empurradas” pela bateria, abre caminha para que novas cargas sejam empurradas para essa região, formando assim um fluxo constante.
Esse fluxo, nada mais é do que uma corrente elétrica que pode fluir livremente através do componente, sem encontrar muita resistência ou oposição. Dizemos, nessas condições, que o componente, esta polarizado no sentido direto, conforme mostra a figura 4.
Esse componente, denominado “diodo” , conforme já vimos, deixa então a corrente passar sem oposição quando polarizado no sentido direto.
Por outro lado, se invertermos a polaridade da bateria em relação aos pedaços de material semicondutor dessa estrutura, o fenômeno que se manifesta é diferente.
Os portadores do material N são atraídos para o polo positivo do gerador se afastando da região da junção. A polarização inversa pode ser visualizada na figura 5.
Da mesma forma, os portadores do material P também se afastam da junção, o que significa que temos um “alargamento da junção”, com um aumento da barreira de potencial que impede a circulação de qualquer corrente elétrica.
A estrutura polarizada desta forma, ou seja, polarizada no sentido inverso, não deixa a corrente passar.
Na prática, uma pequena corrente da ordem de milionésimos de ampère pode circular mesmo quando o diodo está polarizado no sentido inverso.
Esta corrente “de fuga” se deve ao fato de que o calor ambiente agita os átomos do material de tal forma que, um ou outro portador de carga pode ser liberado, transportando corrente dessa forma.
Como a intensidade dessa corrente varia com a temperatura, uma estrutura desse tipo, ou seja, um diodo, também pode ser usado como um excelente sensor de temperaturas.
Veja então que uma simples estrutura PN de Silício ou de Germânio já resulta num importante componente eletrônico que é o diodo. Na figura 6 mostramos a estrutura e o símbolo usado para representar o componente que lembra uma “seta”, indicando o sentido da corrente.
Na mesma figura temos os aspectos desses componentes, cujo tamanho depende da intensidade da corrente que podem controlar ou conduzir e também da tensão máxima que pode se manifestar entre seus terminais.
Veja que existe uma faixa ou anel em alguns tipos de diodos, indicando o lado do catodo, ou seja, o lado do material N.
O próprio símbolo do componente pode ser gravado na posição em que indica o anodo e o catodo.
O diodo semicondutor pode então ser polarizado de duas formas, conforme mostra a figura 7.
Se o diodo for polarizado como mostra a figura em (a), com o polo positivo da bateria ou outra fonte de energia elétrica em seu anodo, a corrente pode fluir com facilidade, pois o diodo apresenta uma resistência muito baixa. Dizemos que o diodo está polarizado no sentido direto.
Se a polarização for feita conforme mostra a mesma figura em (b), então nenhuma corrente pode circular. Dizemos que o diodo está polarizado no sentido inverso.
Observe ainda que, devido ao fato de que precisamos vencer a barreira de potencial de 0,2 V para os diodos de germânio, e 0,6 V para os diodos de silício, quando ocorre a condução, aparece sobre o componente sempre essa tensão, independentemente da intensidade da corrente que está circulando através dele, conforme é possível ver pela figura 8.
Na verdade, como a resistência do diodo é muito baixa, na sua condição de plena condução de corrente, se não existir um componente que limite essa corrente no circuito, o diodo corre o risco de se “queimar”, pois existe um valor máximo para a intensidade da corrente que ele pode conduzir.
Da mesma forma, também existe um limite para a tensão máxima que podemos aplicar num diodo ao polarizá-lo no sentido inverso.
Chega um ponto em que, mesmo polarizado inversamente, a barreira de potência não mais pode conter o fluxo de cargas “rompendo-se” com a queima do componente.
Os diodos comuns são então especificados em função da corrente máxima que pode conduzir no sentido direto, abreviada por If (O f vem de forward que em inglês quer dizer direto), e pela tensão máxima que podem suportar no sentido inverso, abreviada por Vr (O r vem de reverse que, em inglês, quer dizer inverso).
Analisaremos isso ao estudarmos as especificações dos diodos, que no caso dos diodos de potência exigem um cuidado especial
Veremos também que existem alguns tipos de diodos especiais que podem funcionar polarizados no sentido inverso e que apresentam características muito interessantes para a eletrônica.
Tipos de diodos
Conforme estudamos, o material semicondutor usado na formação de junções tanto pode ser o germânio como o silício. Assim, temos diodos tanto de germânio como de silício. E, nestes grupos, os tipos podem ainda ter finalidades diferentes sendo, por esse motivo, construídos de forma diferente.
Diodos Retificadores de Silício
Os diodos mais comuns em aplicações de médias e altas potências são os retificadores que, conforme estudamos no curso de eletrônica analógica são usados em fontes de alimentação como retificadores.
Diodos da série 1N4000 e 1N5000 são bastante comuns assim como os da série SK.
Estes diodos são encontrados em fontes com correntes até 1 A ou 5 A no segundo caso.
No entanto, nas aplicações industriais, em veículos elétricos em automação de alta potência são usados diodos retificadores com correntes muito maiores.
Estes diodos são destinados à condução de correntes intensas, também suportando tensões elevadas que podem superar os 1 000 V.
Na figura 9 temos os aspectos comuns destes diodos que possuem recursos para montagem em dissipadores de calor.
Na construção desses diodos são usadas técnicas especiais que visam uma geometria em que a corrente se distribua de forma uniforme pela pastilha de silício.
O que ocorre, é que no momento em que se inicia a condução de um diodo deste tipo, a corrente está concentrada numa pequena área, gerando assim um pico de calor neste local.
À medida que a corrente aumenta, e se distribui, a geração de calor também é distribuída de maneira mais uniforme.
Estes diodos podem ser encontrados em fontes de alimentação, reguladores de tensão de alternadores, inversores de potência, controles, etc.
Assim como os diodos usados em outras aplicações, como sinais, baixa corrente, detecção, os diodos de alta corrente possuem especificações.
Especificações dos diodos de silício
O conhecimento da simbologia usada é especialmente importante quando precisamos interpretar as folhas de dados (datasheets) de um determinado componente.
Lembramos que todos os componentes possuem limites para sua utilização e estas especificações justamente definem estes limites. Se forem ultrapassados, o componente pode sofrer dano ou ainda ficar inutilizado.
Nos símbolos normalmente são usadas uma letra maiúscula que corresponde à unidade usada, por exemplo, I para corrente, V para tensão, P para potencia, etc.
Especificações de tensão e corrente
Para os diodos comuns normalmente duas especificações de tensão são suficientes para nos permitir avaliar seu funcionamento num circuito. Elas são:
Vf = queda de tensão no sentido direto – é a queda de tensão que ocorre num diodo quando ele conduz a corrente. Normalmente de 0,6 a 0,7 V nos diodos de silício
PIV = tensão inversa de pico (Peak Inverse Voltage), que é a máxima tensão que se pode aplicar ao diodo quando polarizado no sentido inverso.
Para a corrente, basta saber o valor de uma delas:
IF(AV) = corrente média no sentido direto e com isso sabemos como usar o diodo.
No entanto, consultando datasheets encontramos outras especificações de tensão que são igualmente importantes quando pretendemos trabalhar com estes componentes. As principais são:
VRRM= Tensão inversa máxima repetitiva (Maximum Repetitive Reverse Voltage) – é a tensão máxima que o diodo pode suportar no sentido inverso na forma de pulsos repetidos.
VR ou VDC = Tensão máxima contínua no sentido inverso (Maximum DC Reverse Voltage) que o diodo pode suportar quando polarizado no sentido inverso
VF = Tensão Máxima no sentido Direto (Maximum Forward Voltage) – é a tensão que aparece num diodo quando ele conduz uma determinada corrente, especificada no datasheet. Num diodo ideal, essa tensão é nula, mas conforme estudamos nos diodos comuns, ocorre sempre uma queda de tensão na condução que se costuma adotar como valor típico nos diodos de silício de 0,7 V. Num cálculo mais exato, entretanto, ela depende da corrente.
IF(AV) = Corrente máxima (média) direta – Maximum (average) forward current – é o máximo valor que a corrente média no sentido direto pode conduzir quando polarizado no sentido direto. Essa corrente é determinada basicamente pela capacidade de dissipação do diodo, pois o calor gerado nestas condições depende da queda de tensão que ocorre na junção, multiplicada pela intensidade da corrente.
IFSM ou If(surge) = Corrente máxima de pico ou surto no sentido direto – (Maximum (peak or surge) forward current - é o pico máximo de corrente que o diodo é capaz de conduzir quando polarizado no sentido direto. Este parâmetro é limitado pela capacidade de dissipação da junção, sendo normalmente muito alto devido à inércia térmica. Demora um certo tempo para o calor gerado se propagar.
PD = Dissipação máxima de potência (Maximum Total Dissipation) – é a capacidade de dissipação de potência do diodo em watts (W). Como esta grandeza é dada por P = V x I, ela pode ser calculada pela corrente conduzida multiplicada pela tensão direta.
TSTG = Faixa de temperaturas de armazenamento (Storage Temperature Range) – é a faixa de temperaturas em que o diodo pode ser guardado (sem estar em funcionamento).
Tj = Temperatura máxima da junção (Maximum Operating Temperature) ou máxima temperatura de funcionamento. Na maioria dos casos é o mesmo valor da temperatura de armazenamento.
R(θ) = Resistência Térmica (Thermal Resistance) é a diferença de temperatura que ocorre entre a junção e o meio exterior (ar) ou entre a junção e os terminais (JA ou JL) para uma determinada dissipação. Esta especificação é dada em graus Celsius por Watt (°C/W ). Seu valor seria zero se o invólucro do diodo fosse um condutor perfeito, mas na prática não é. Esta especificação é importante no dimensionamento de dissipadores de calor.
IR = Corrente inversa (ou reversa) máxima (Maximum Reverse Current) – é a corrente que circula pelo diodo quando ele é polarizado com a tensão inversa máxima (DC), Também encontramos esta corrente indicada como “corrente de fuga”(leakage current). Num diodo ideal ela deve ser nula, mas na prática depende de diversos fatores, sendo o principal, a temperatura.
CJ = Capacitância típica da Junção (Typical Junction Capacitance) – é a capacitância intrínseca que aparece entre as junções devido à região de depleção que age como um dielétrico. Trata-se de uma capacitância muito baixa, da ordem de picofarads.
trr = Tempo de Recuperação Inversa (Reverse Recovery Time) – trata-se do intervalo de tempo que ocorre entre o instante em que a tensão num diodo em condução é invertida e ele realmente deixa de conduzir. Veja mais adiante nesta lição, mais detalhes sobre este fenômeno em “diodos de recuperação rápida”.
É importante observar que os parâmetros indicados variam dependendo de diversos fatores, sendo o principal, a temperatura. Assim, os fabricantes, na maioria dos casos, não dão essas especificações através de um valor fixo, mas sim através de gráficos.
Nestes gráficos, a especificação é plotada em função de condições variáveis, o que pode ser muito importante nos projetos mais críticos.
Na figura 10 temos um exemplo que mostra como a corrente máxima de um diodo 1N5404 se comporta em função da temperatura.
O gráfico da figura 11 mostra como o diodo 1N5404 responde aos surtos de corrente no sentido direto quando a taxa de repetição dos pulsos aumenta.
Na figura 12 mostramos um detalhe de um datasheet de uma série de diodos comuns usados em retificação, Esta série vai do 1N5400 ao 1N5408.
A corrente destes diodos é a mesma 3 A (média retificada), mas as tensões mudam. Temos então os “máximos absolutos” que são os valores que não devem ser ultrapassados, sob pena do componente sofrer dano irreversível.
Veja que esses máximos são especificados sob determinadas condições, normalmente sendo dada a temperatura ambiente de 25º C. Veja que, para a maioria dos componentes estas características se deterioram rapidamente quando a temperatura indicada é ultrapassada.
Retificação
Os diodos de maior capacidade de corrente e maior tensão são basicamente usados em retificação nas aplicações de potência.
No nosso Curso Básico explicamos como funcionam os circuitos retificadores, no entanto vamos revisar os conceitos, pois precisamos ir além, pois nas aplicações de potência, é comum que eles sejam usados em circuitos trifásicos.
Revisando os conceitos basicos, sabemos que na retificação as três formas de se usar os diodos são:
Retificador de meia onda
Neste circuito, nos semiciclos positivos da tensão alternada no secundário do transformador, o diodo é polarizado no sentido direto, de modo a apresentar baixa resistência e deixar a corrente passar. No entanto, nos semiciclos negativos, o diodo é polarizado no sentido inverso e nenhuma corrente pode passar, conforme mostra a figura 13.
Veja então que, somente passa corrente nos semiciclos positivos, ou corrente num único sentido. Esta corrente, se bem que circule num sentido único, não é uma corrente contínua pura.
Ela é formada por “pulsos” que aparecem somente nos instantes em que o diodo está polarizado no sentido direto. Dizemos que se trata de uma “corrente contínua pulsante”.
Se invertermos o diodo, conforme o leitor poderá ver na figura 14, teremos a passagem de corrente somente nos semiciclos negativos e ainda uma corrente pulsante, mas de sentido ou polaridade invertida.
Como apenas metade dos semiciclos da corrente alternada é conduzida neste processo, dizemos que se trata de um processo de retificação de “meia onda”.
Retificador de onda completa
Uma forma de se obter eficiência maior na retificação ou “transformação de corrente alternada em contínua”, é com o aproveitamento dos dois semiciclos.
Isso é possível se utilizarmos um transformador com uma tomada central e dois diodos, ligado conforme o leitor poderá ver na figura 15.
Quando o terminal A do transformador está positivo em relação ao CT, nos semiciclos positivos, o terminal B, ao mesmo tempo está negativo em relação ao CT.
Desta forma, enquanto nos semiciclos positivos de entrada, o diodo D1 é polarizado no sentido direto, o diodo D2 estará polarizado no sentido inverso. Conduz então o diodo D1, conforme podemos ver na figura 16.
No semiciclo negativo da tensão de entrada, as coisas se invertem. Enquanto A estará negativo em relação a CT, B estará positivo, de modo que D1 estará polarizado inversamente e D2 diretamente. Conduz D2, conforme mostra a figura 17, e a carga recebe sua alimentação.
Em outras palavras, neste processo de retificação a onda toda é aproveitada, sendo por isso denominado de “retificação de onda completa”.
Veja que o transformador permite que o semiciclo negativo seja “invertido” para também ser aproveitado.
É claro que este processo de retificação apresenta uma eficiência que é o dobro do anterior, tendo por isso muitas vantagens de utilização.
Observe que ainda temos uma corrente contínua pulsante na carga, se bem que ela tenha variações “menores” que no caso anterior.
Retificador em ponte
Uma maneira de se obter uma retificação de onda completa com o uso de um transformador comum, ou seja, com secundário simples, sem tomada central é possível com o uso de 4 diodos, ou seja, de uma ponte de diodos, conforme mostrado na figura 18.
Vejamos como funciona este sistema denominado “retificação em ponte”: Nos semiciclos positivos, o terminal A do transformador está positivo em relação ao terminal B.
Desta forma os diodos D2 e D3 estão polarizados no sentido direto, conduzindo a corrente poderá ser visto na figura 19.
Nos semiciclos negativos, ficam polarizados no sentido direto os diodos D1 e D4 que então conduzem a corrente conforme mostra a figura 20.
É importante notar que neste sistema, a corrente em cada semiciclo passa por dois diodos, em lugar de um só, como nos outros. Isso significa que temos uma queda de tensão maior no sistema de retificação.
Assim, enquanto no sistema de onda completa “perdemos” apenas 0,6 V no diodo de silício, neste sistema “perdemos” 1,2 V. É claro que as vantagens deste sistema podem ser compensadas simplesmente com a utilização de um transformador que tenha uma tensão de secundário um pouco maior.
No entanto, nas aplicações de potência, é mais comum o uso de fontes de energia elétrica trifásica. Isso ocorre principalmente na indústria.
Para a retificação trifásica podemos usar os diodos na configuração mostrada na figura 21.
Neste circuito são usados seis diodos numa configuração em que em cada instante dois diodos conduzem.
Na figura 22 temos a corrente pulsante obtida no circuito retificador. Veja que, usando um sistema trifásico o ripple é menor do que o que encontramos num sistema retificador de meia onda ou onda completa em duas fases.
Uma configuração interessante consiste num sistema retificador para 6 fases, mostrado na figura 23.
Estas configurações também podem ser encontradas em automóveis, para retificação da corrente obtida dos alternadores.
Diodos em Paralelo
É comum que se pense que a simples ligação de diodos em paralelo aumenta a capacidade de um sistema retificador sem problemas.
No entanto, este problema de se obter maior capacidade de corrente não se resolve de maneira tão simples.
Os diodos, mesmo do mesmo tipo, não têm exatamente as mesmas características. Pequenas diferenças existem de um para outro e isso significa que se ligarmos diodos em paralelo, a corrente não se divide por igual entre eles.
Devido a pequenas diferenças na tensão direta (Vf) um dos diodos conduz antes ou mais que o outro e o resultado disso é uma diferença entre as correntes que passam por estes componentes.
Assim, conforme mostra a figura 24, se quisermos usar dois diodos de 1 A para retificar uma corrente de 2 A, ligando-os em paralelo, a corrente será diferente e um deles queimará (D1) por estar sobrecarregado.
Para evitar este problema o que se faz é ligar em série com cada diodo um resistor de baixo valor (tanto menor quanto for a intensidade da corrente), de modo a distribuir melhor a corrente.
Os diodos, conforme mostra a figura 25 podem ter tipicamente valores entre 0,1 e 1 ohm, para correntes na faixa de 1 a 5 A.
Veja que este procedimento também é adotado quando ligamos em paralelo transistores em reguladores de tensão.
Diodos em série
Podemos ligar diodos em série com a finalidade de conseguir uma tensão inversa maior. Por exemplo, teoricamente dois diodos de 200 V, podem suportar uma tensão inversa de 400 V.
Na prática isso não ocorre, porque a corrente inversa de fuga dos diodos é diferente, e isso faz com que na polarização inversa, as tensões se dividam de forma desigual.
Assim, aplicando 400 V em dois diodos em série, pode ocorrer que, mesmo sendo iguais na especificação (1N5404, por exemplo), a tensão inversa se divida de modo que um fique com 240 V e outro com 260 V e isso pode causar sobrecarga de um deles.
Podemos evitar este problema, ligando em paralelo com os diodos resistores de valor apropriado que ajudem a igualar a tensão divida. Resistores de 10k a 22k podem ser usados nesta aplicação, conforme mostra a figura 26.
Surtos de Corrente
Em fontes de alimentação em que após o diodo retificador encontramos um capacitor de valor muito alto, ocorre um problema que precisa ser evitado, principalmente quando a corrente envolvida é intensa.
Ao ligar a fonte, o capacitor descarregado se comporta como um curto-circuito o que significa que uma corrente muito intensa pode circular.
Se essa corrente superar o valor da corrente máxima de surto (Ifsm), o diodo pode queimar.
Se bem que os valores envolvidos sejam altos, pois para o 1N5404 de 3 A, o Ifsm é de 200 A, no momento em que a tensão se estabelece no circuito, se o transformador tiver uma capacidade muito grande de corrente, problemas podem ocorrer.
Uma maneira de se evitar este problema é ligar em série com o diodo um resistor de baixo valor, calculado para limitar a corrente em caso de curto, a um valor inferior ao Ifsm, conforme mostra a figura 27.
O resistor deve ser de fio de capacidade de dissipação compatível com a corrente, lembrando que a corrente mais intensa apenas ocorre por um instante e ele deve ser calculado para que em curto o diodo e o capacitor, o surto seja menor que o Ifsm especificado para o componente.
Diodos de Recuperação Rápida
Com o uso cada vez maior de fontes chaveadas, conversores DC/DC e AC/DC, os diodos retificadores comuns já não atendem às necessidades desses circuitos.
Os diodos de recuperação rápida (fast recovery) e recuperação ultra-rápida (ultra-fast recovery) passam a ocupar um lugar de importância entre os componentes usados.
As fontes de alimentação comuns, ligadas diretamente à rede de energia de 60 Hz em nosso país e mesmo as que operam em frequências um pouco mais altas, como as de 400 Hz de uso industrial, não precisam de componentes rápidos.
Assim, a retificação das tensões de entrada pode ser realizada, sem problemas, por diodos comuns de silício.
No entanto, as características desses diodos não se adaptam às fontes chaveadas que operam com sinais de frequências muito mais altas, da ordem de dezenas de quilohertz e até mesmo maiores que 1 megahertz.
Os diodos retificadores comuns não respondem a essas frequências como se espera, não conseguindo retificar de modo eficiente correntes alternadas que estejam acima de alguns quilohertz, pois eles possuem uma característica de retificação lenta.
Para essas fontes é preciso usar diodos que acompanhem as variações rápidas dos sinais que devem ser retificados, ou seja, diodos de recuperação rápida ou ultra rápida (fast recovery diodes ou ultra-fast recovery diodes).
A Recuperação de um Diodo
Um diodo, como qualquer outro componente eletrônico, precisa de certo tempo para passar do seu estado de condução para não condução.
Para um diodo retificador comum, o que ocorre é que, partindo do estado de plena condução, quando a tensão é invertida no semiciclo seguinte e ele deve passar para a não condução, isso não acontece de modo imediato, conforme mostra o gráfico da figura 28.
Quando a tensão aplicada reduz, passando pelo ponto de zero, até atingir o seu máximo no sentido inverso, o diodo não deixa de conduzir imediatamente.
Ele ainda permanece em plena condução no sentido inverso por certo tempo, que é o que ele precisa para “se recuperar” da transição que ocorre.
Nesse intervalo, que pode chegar a mais de 1 milissegundo, para um diodo comum, o diodo se comporta como um dispositivo de baixa resistência, conduzindo intensamente a corrente.
Em outras palavras, durante esse intervalo, o dispositivo deixa de se comportar como um diodo, conduzindo a corrente também no sentido inverso.
Após a recuperação, que demora certo tempo que depende do dispositivo, o diodo se recupera e a sua resistência no sentido inverso aumenta, não havendo mais a circulação de nenhuma corrente no sentido inverso.
Numa aplicação de baixa frequência, por exemplo, retificando a corrente alternada da rede de energia, o tempo de recuperação é desprezível em relação ao tempo total de duração do semiciclo, conforme mostra a figura 29.
Nessas condições, a energia dissipada na condução inversa e mesmo a pequena corrente circulante não afetam de modo significativo o funcionamento do circuito.
No entanto, acima de certa frequência, esse tempo de recuperação se torna importante, podendo até superar o tempo de duração do semiciclo do sinal no sentido inverso, o que significa que “não dá tempo” para o diodo deixar de conduzir, e com isso a corrente não é retificada, conforme mostra a figura 30.
Para aplicações em que as corrente que devam ser retificadas possuam frequências elevadas, diodos que “se recuperem” rapidamente passando do estado de condução para não condução no mínimo tempo possível são necessários.
A Indústria classifica como diodos rápidos ou diodos de recuperação rápida (fast recovery) aqueles que possam tempo de recuperação inversa menor do que 500 ns.
Esse valor é 1/10 do tempo típico que encontramos num retificador de silício comum.
São classificados comuns ultra-rápidos, os diodos que possuam tempos de recuperação na faixa de 0,75 a 5 ns, para os tipos de pequeno sinal (10 a 100 V, conforme mostra a figura 31.
São classificados como ultra-rápidos também os diodos retificadores de 50 a 800 V que tenham tempo de recuperação de 15 a 60 ns.
Existem ainda diodos disponíveis para tensões acima de 1000 V que são considerados rápidos, pois têm tempos de recuperação da ordem de 100 ns.
Na figura 32 mostramos as curvas típicas e os modos de recuperação dos diodos.
Observe que no diodo de recuperação suave (soft) o aumento da resistência no sentido inverso e, portanto, a redução da corrente que ocorre nesse intervalo, acontece de modo suave.
O mesmo não ocorre num diodo de recuperação abrupta, em que além da subida rápida da resistência no sentido inverso, ela não se estabiliza de imediato ocorrendo uma oscilação amortecida que dura certo intervalo de tempo.
Essas características exigem cuidados especiais com o circuito que está sendo alimentado, pois ele pode ser sensível ao fenômeno, ocorrendo instabilidades e até mesmo falhas de funcionamento.
Na indústria é definido o fator de suavidade de recuperação ou “recovery softness factor”.
Se esse fator muito alto na recuperação inversa, podem também ocorrer problemas. Um diodo retificador que tenha um fator de recuperação suave muito grande pode gerar calor.
Por outro lado, para se evitar os problemas de uma recuperação abrupta, podem ser necessários circuitos snubbers.
O diodo zener
O diodo zener já foi estudado no nosso Curso de Eletrônica – Eletrônica Analógica – Vol 2. Lá o leitor encontrará os princípios básicos de funcionamento desse componente. No entanto, uma pequena revisão pode ajudar a entender melhor esta lição.
Conforme estudamos, existe um limite para a tensão que pode ser aplicada no sentido inverso num diodo comum. Quando a tensão supera esse valor, que varia de tipo para tipo de diodo, a junção “rompe-se”, tornando-se condutora e, com isso, conduzindo uma corrente de forma intensa. A corrente passa a fluir sem encontrar maiores obstáculos.
Para os diodos comuns, este rompimento no sentido inverso significa a queima do componente. A forte corrente acaba por causar a perda das propriedades dos materiais semicondutores que formam sua estrutura.
No entanto, existem diodos que são projetados para suportar a corrente no sentido inverso até certo limite, mesmo quando a tensão inversa é superada. Esses componentes são de grande importância para a eletrônica moderna.
Na figura 33 temos uma curva que mostra a característica de um diodo comum, e que também pode servir para que possamos introduzir um novo tipo de componente: o diodo zener.
Veja então que, quando ocorre uma ruptura no sentido inverso, por mais que a corrente aumente, a tensão no diodo se mantém fixa, no valor Vp, que a partir de agora será chamado de Vz ou tensão zener.
Isto significa que se tivermos um diodo que possa trabalhar nesse ponto da curva característica, sem queimar, ele conseguirá manter fixa a tensão num circuito independentemente da corrente, ou seja, ele poderá funcionar como um regulador de tensão.
Na figura 34 temos o símbolo adotado para representar esse tipo de componente, que é denominado “diodo zener”, assim como os aspectos dos tipos mais comuns.
Os diodos zener podem cumprir uma função muito importante nos circuitos, regulando a tensão de fontes de alimentação, além de estarem presentes em muitas aplicações em que se necessita de uma tensão fixa. Diodos zener com tensões entre 2 e 200 volts podem ser encontrados nos aparelhos eletrônicos comuns.
Diodos zeners de potência, como os maiores na parte inferior da figura possuem recursos para montagem em dissipadores e suas correntes podem atingir várias dezenas de ampères.
Na figura 35 temos o modo típico de se usar um diodo zener.
Veja que, em primeiro lugar, ele trabalha polarizado no sentido inverso, ou seja, seu catodo vai ao ponto positivo do circuito. O circuito, que deve ter a tensão estabilizada, é ligado em paralelo com o diodo zener.
O resistor R neste circuito tem a importante função de limitar a corrente no diodo zener, pois se ela superar um valor determinado pela sua capacidade de dissipação, ele pode queimar-se, O valor máximo da corrente depende da potência do zener, podendo ser calculado facilmente em cada aplicação.
Assim, lembrando que a potência num circuito é dada pelo produto da tensão pela corrente, se tivermos um diodo zener de 2 V, cuja dissipação máxima seja de 10 W, é fácil calcular a corrente máxima para a potência indicada:
P = V x I
P = 2 x I
De onde:
I = 10 / 2
I = 5 ampères
Para um diodo de 4 V a corrente máxima será menor:
P = V x I
I = P / V
I = 10 / 4
I = 2,5 A
Esta corrente máxima determina o valor do resistor que deve ser ligado em série com o diodo zener, numa aplicação normal.
Nomenclatura e especificações dos diodos zener:
Os diodos zener seguem a mesma nomenclatura dos demais diodos. Assim, para os tipos americanos temos a série 1N, cujos principais tipos são dados na tabela que pode ser encontrada no Curso de Eletrônica Analógica na lição que trata dos diodos zener.
Da mesma forma que para os diodos comuns, e para outros componentes eletrônicos, encontramos diversos símbolos para especificar as características dos diodos zener.
Esses símbolos são encontrados nos datasheets, devendo ser observados e evidentemente, o profissional deve conhecer seu significado.
Para que o leitor aprenda a analisa um datasheet de diodo zener, tomamos como referência a série 1N2804 a 1N2846 que são diodos de 50 W com invólucros metálicos TO-3, conforme mostra a figura 36.
Em primeiro lugar destacamos os máximos absolutos, que não devem ser ultrapassados sob dano irreversível para o componente.
Veja que a dissipação máxima é de 50 W para temperaturas abaixo de 75°C. Acima disso, a potência máxima cai em 0,5 W para grau de aumento de temperatura.
Da mesma forma, existe um limite máximo para a tensão que pode aparecer no sentido direto (forward voltage em 10 A).
E, para projetos temos ainda as características elétricas que tomamos como exemplo apenas para alguns dos tipos da série, já que a tabela é bastante extensa.
Os símbolos utilizados são:
Vz – Tensão zener nominal (Nominal Zener Voltage) – é a tensão que aparece nos terminais diodo zener quando circula a tensão de teste (Izt). ´
Izt – Corrente zener de teste (Zener test current) – é a corrente utilizada para teste servindo para determinar a tensão do componente, ou tensão zene.
Zzt – impedância zener máxima (Max. Zener Impedance) - É a impedância que o componente apresenta sob a corrente de teste (Izt).
Zzk – impedância zener máxima (Max. Zener Impedance) – esta é especificada para uma determinada corrente, por exemplo, 5 mA chamada de Izk no datasheet.
Izm – Corrente Zener DC máxima (Max. DC Zener Current) – é a corrente máxima que pode circular pelo componente quando utilizado como zener. Normalmente especificada para a temperatura máxima de operação (75º C, no caso que tomamos como exemplo).
αVz – Coeficiente de temperatura típico (Typical Zener Voltage Coefficient) – trata-se do valor que indica de quanto varia a tensão zener com cada grau de mudança de temperatura.
IR – Corrente de fuga máxima (Maximum Leakage Current) – especificada para uma determinada tensão, abaixo da tensão zener, ela indica a corrente que o componente deixa passar quando polarizado no sentido inverso.
