Condução e polaridade dos diodos

Todo diodo tem dois terminais com nomes fixos: ânodo (A) e cátodo (K). Esses nomes identificam os terminais do componente; eles não querem dizer que um terminal será sempre positivo ou sempre negativo no circuito.

Em muitos diodos axiais — aqueles com um corpo cilíndrico e um terminal em cada ponta — uma faixa pintada ou escura marca o lado do cátodo. Essa faixa corresponde ao traço reto do símbolo elétrico.

Associe cada indicação ao terminal correto.

Um símbolo de diodo está na vertical. O traço reto fica embaixo. Qual terminal está embaixo?

Um semicondutor pode ter sua capacidade de conduzir modificada por dopagem: a introdução controlada de pequenas quantidades de impurezas no material.

Na região N, há mais elétrons móveis disponíveis. Na região P, há mais lacunas disponíveis. Uma lacuna é a ausência de um elétron em uma ligação; ela se comporta como um portador de carga positiva.

Isso não torna toda a região N um corpo negativo nem toda a região P um corpo positivo: as regiões, como conjunto, permanecem aproximadamente neutras.

Quando as regiões P e N são unidas, elétrons próximos à interface tendem a se deslocar da região N para a P, enquanto lacunas próximas tendem a se deslocar da P para a N. Ao se encontrarem, elétron e lacuna podem se recombinar.

Esse processo deixa, perto da interface, átomos ionizados que ficam presos à estrutura do material. Como ali restam poucos elétrons e lacunas móveis, essa faixa é chamada de região de depleção.

As cargas fixas da depleção criam um campo elétrico interno. Esse campo se opõe à difusão adicional de elétrons e lacunas, estabelecendo uma barreira interna na junção.

Em um diodo PN, a região P é associada ao ânodo (A) e a região N, ao cátodo (K). A barreira interna descreve o equilíbrio dentro do componente; ela não é uma fonte de tensão utilizável nos terminais.

A polarização é definida pela tensão entre os terminais do diodo, não pela posição do símbolo na folha.

Use a convenção:

V_D = V_A − V_K

• V_A: potencial do ânodo (A)
• V_K: potencial do cátodo (K)

Assim, compare A com K. Se A estiver a 5 V e K a 2 V, então V_D = +3 V. Se A estiver a 1 V e K a 4 V, então V_D = −3 V.

Há polarização direta quando o ânodo está em potencial maior que o cátodo. Portanto, V_D é positiva.

A tensão externa se opõe parcialmente à barreira interna da junção PN. A região de depleção fica mais estreita, e a passagem de portadores no sentido direto é favorecida. A corrente convencional direta, quando houver condução relevante, tem sentido de A para K.

Isso não significa que toda tensão positiva produza uma corrente apreciável: a corrente depende do comportamento real do componente e das condições do circuito.

Há polarização reversa quando o cátodo está em potencial maior que o ânodo. Portanto, V_D é negativa.

Nesse caso, a tensão externa reforça a barreira interna. A região de depleção se alarga e a condução no sentido direto deixa de ser favorecida.

Em análises iniciais, dizemos que o diodo está em bloqueio reverso. É uma aproximação útil: componentes reais podem apresentar uma corrente reversa muito pequena. Mais adiante, você verá outros limites importantes do diodo.

Um diodo tem V_A = 1,2 V e V_K = 3,0 V. Complete a classificação: a tensão V_D é negativa; logo, o diodo está em polarização ____.

Uma curva característica relaciona a tensão entre os terminais à corrente no diodo. Mantemos as convenções já usadas:

• V_D = V_A − V_K está no eixo horizontal.
• I_D está no eixo vertical e é positiva no sentido convencional de A para K.

À direita da origem, V_D é positiva: o ânodo está em potencial maior que o cátodo. À esquerda, V_D é negativa: há polarização reversa.

Acima do eixo horizontal, a corrente é positiva; abaixo dele, a corrente reversa é representada com sinal negativo.

No trecho C, a tensão V_D é positiva e a corrente direta I_D cresce de forma acentuada e contínua. Isso é diferente de um resistor de valor fixo: a relação entre tensão e corrente do diodo não é uma reta única.

A curva também não mostra uma “porta” que se abre instantaneamente em uma tensão exata. A corrente aumenta progressivamente conforme a tensão direta aumenta. Nos próximos steps, você verá por que uma queda direta usada em cálculos é apenas uma aproximação.

No trecho A, antes da ruptura, V_D é negativa e existe uma pequena corrente de fuga reversa. Em análises introdutórias, ela frequentemente é desprezada, e o diodo é tratado como bloqueado.

Ao atingir o trecho B, a tensão reversa alcançou uma faixa característica do componente e ocorre ruptura: a corrente reversa cresce intensamente. O detalhe da fuga usa µA, enquanto a escala principal usa mA. Como 1 mA equivale a 1000 µA, o detalhe serve para tornar a fuga visível sem sugerir que ela tenha magnitude parecida com a corrente direta ou com a corrente na ruptura.

A queda direta \(V_F\) é a tensão entre ânodo e cátodo quando o diodo está conduzindo corrente direta. Ela não é uma etiqueta fixa gravada no componente.

A curva direta já mostra isso: a corrente cresce de forma não linear. Para o mesmo diodo, mantendo a temperatura fixa, uma corrente direta maior exige, em geral, uma queda direta maior.

Por isso, a frase “o diodo tem 0,7 V” só pode ser uma aproximação útil em uma condição escolhida; não é um limiar exato em que o diodo passa instantaneamente de desligado para ligado.

Para comparar quedas diretas, informe sempre as condições. Os números abaixo são apenas ilustrativos para um mesmo diodo PN de silício; eles não servem como especificação de um componente real.

Um modelo não tenta copiar cada detalhe do diodo real: ele declara uma aproximação útil para analisar um circuito. Neste step, os dois modelos ignoram a pequena fuga reversa, a ruptura e as variações de temperatura.

Escolha o modelo antes de calcular. Assim, fica claro quais resultados são estimativas e quais efeitos ficaram de fora.

A curva real é contínua. Os modelos a substituem por regras mais simples para uma análise inicial.

No modelo ideal, o diodo tem apenas dois estados:

• Condução: permite corrente convencional de A para K e sua queda de tensão é nula: V_D = 0 V.
• Bloqueio: sua corrente é nula: I_D = 0 A. No esquema equivalente, ele é um circuito aberto.

“Zero” é uma regra do modelo ideal, não uma descrição exata do componente físico.

Em condução, o equivalente é uma chave fechada ideal; em bloqueio, uma chave aberta.

O modelo de queda direta constante mantém o bloqueio como circuito aberto, com I_D = 0 A. Porém, quando conduz de A para K, atribui ao diodo uma queda fixa previamente escolhida: V_D = V_F.

Por exemplo, se a análise declarar V_F = 0,7 V, essa será a queda usada enquanto o diodo estiver em condução. O valor é uma aproximação de projeto, não um limiar físico exato.

No modelo de queda constante, a corrente é colocada em zero abaixo da queda assumida e passa a ser permitida a partir dela. Esse corte é artificial: a curva real não muda de estado de forma abrupta.

Use esses modelos quando a precisão exigida aceitar essa simplificação. Eles não servem para estimar fuga, ruptura ou como a queda muda com corrente e temperatura.

Para analisar uma malha com fonte CC, resistor e diodo, siga sempre a mesma sequência:

1. Identifique A e K no símbolo.
2. Compare os potenciais e proponha um estado: condução ou bloqueio.
3. Aplique o modelo declarado.
4. Calcule corrente e tensões.
5. Verifique se o resultado respeita o estado proposto.

No modelo de queda constante, um diodo em condução tem a queda definida, por exemplo, V_F = 0,7 V. No modelo ideal, use V_F = 0 V. O resistor em série limita a corrente.

Se o mesmo circuito fosse analisado pelo modelo ideal, a queda no diodo seria V_F = 0 V:

I = 9 V / 1 kΩ = 9 mA

Os dois modelos são aproximações. Antes de calcular, declare qual deles está sendo usado.

Uma fonte também pode estar no sentido direto, mas não ter tensão suficiente para o modelo adotado. Por exemplo, com fonte de 0,5 V, resistor em série e V_F = 0,7 V, o modelo de queda constante prevê bloqueio.

Nesse caso, I = 0 A e não há queda no resistor; assim, V_D = +0,5 V. Isso não significa que um diodo real tenha corrente rigorosamente nula: apenas que ela é desprezada por este modelo.

Desafio integrado

Considere uma fonte de 5 V, um resistor de 1 kΩ e um diodo PN em série. Adote explicitamente o modelo de queda direta constante, com V_F = 0,7 V quando o diodo conduz.

A faixa física de um diodo axial indica o cátodo (K). No símbolo, o traço também é o cátodo. Portanto, a faixa e o traço devem apontar para o mesmo terminal.

• Com o ânodo voltado para o lado mais positivo e o cátodo para o lado negativo, há polarização direta.
• Ao inverter somente o diodo, o cátodo fica no lado mais positivo: há polarização reversa.

No modelo de queda constante, o diodo invertido fica em bloqueio e a corrente calculada é nula. Já no componente real pode existir uma pequena corrente de fuga reversa; ela foi desprezada neste modelo.

Mesmo na orientação direta, 4,3 mA é uma estimativa: a queda direta real varia com a corrente, a temperatura e o próprio componente. O valor de 0,7 V não é um limiar universal.