Queda de tensão do diodo (explicada para iniciantes): o quê, por que, como

Neste artigo, discutiremos a queda de tensão do diodo, por que ela é causada e como podemos calculá-la. Um diodo é um dispositivo semicondutor que permite um fluxo de corrente direcional e restringe o fluxo de corrente em outro lado.

A queda de tensão do diodo refere-se basicamente à queda de tensão de polarização direta. Ocorre em um diodo presente em um circuito elétrico quando a corrente passa por ele. Esta queda de tensão de polarização direta é o resultado da ação da região de depleção formada pela junção PN sob o efeito de uma tensão aplicada.

O que é queda de tensão do diodo?

A queda de tensão do diodo é o resultado do fluxo de corrente do ânodo para o cátodo. Quando o diodo está conduzindo em polarização direta, a queda de potencial através dele é conhecida como queda de tensão do diodo ou queda de tensão direta. 

Idealmente, não deve haver nenhuma queda de tensão no diodo quando ele estiver conduzindo corrente e operando para gerar tensão de saída CC. Na vida real, uma pequena queda de tensão ocorre devido à resistência direta e à tensão de ruptura direta. Para o silício, a queda de tensão do diodo é de cerca de 0.7 Volt. 

Queda de tensão do diodo
Queda de tensão do diodo

Quanta tensão cai um diodo?

Qualquer diodo deixa cair uma determinada quantidade de tensão em seus terminais. Uma queda de tensão do diodo de 0.7 V significa que a tensão através do resistor ou carga presente no circuito é (tensão de alimentação – 0.7) volt.

A queda de tensão em diferentes diodos são diferentes. Normalmente varia de 0.6 a 0.7 volts para um pequeno diodo de silício. Para diodos Schottky, o valor da queda de tensão é de 0.2 Volt. Para diodos emissores de luz ou LEDs, a queda de tensão varia de 1.4-4 Volt. Diodos de germânio têm uma queda de tensão de 0.25-0.3 volt.

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Por que um diodo tem uma queda de tensão?

O diodo, em polarização direta, seleciona um nível de tensão adequado para que possa empurrar as cargas eletrônicas em direção à junção PN. Pode ser dito análogo a “levantar” cada bola do chão até o topo da mesa.

A diferença no nível de energia necessária para mover as cargas eletrônicas através da junção PN faz com que o queda de voltagem. Além disso, há alguma resistência no diodo responsável por uma certa quantidade de queda de tensão. A queda de tensão devido à resistência depende da taxa de fluxo de corrente permitida na junção PN.

Como calcular a queda de tensão do diodo?

As quedas de tensão de diferentes diodos são diferentes. Para um diodo de silício, é de aproximadamente 0.7 Volt, para diodo de germânio é de 0.3 volt e para diodo Schottky é cerca de 0.2 volts. Os LEDs têm vários valores de queda de tensão. 

Agora, se quisermos calcular a queda de tensão em qualquer outro elemento do circuito, precisamos subtrair a queda de tensão dos diodos presentes entre esse elemento e a fonte da tensão da fonte. Portanto, a queda de tensão desse elemento é (tensão da fonte - soma das quedas de tensão do diodo).

Como diminuir a tensão usando diodo?

Diodos Zener são bons para queda de tensão. No entanto, um método trivial para diminuir a tensão usando diodos é conectar vários diodos em série com a fonte. Cada diodo causa uma queda de tensão de quase 0.7 Volt.

Os diodos permitem apenas um fluxo direcional de eletricidade, mas o diodo conduzirá eletricidade apenas quando o fornecimento atingir o limite. O limiar padrão do diodo de silício é de 0.6 volts. … Depois que cada diodo é ligado em série, a tensão cai 0.6 volts. Utilizando esta técnica, podemos diminuir a tensão em um circuito usando diodos.

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Queda de tensão do diodo Schottky

Os diodos Schottky, apresentando uma junção metal-semicondutor, normalmente têm um V_f entre 0.15V e 0.45V. Essa faixa se deve a variações no metal utilizado (por exemplo, platina, cromo) e no tipo de semicondutor (por exemplo, silício tipo n). O menor V_f resulta da ausência de injeção de portadores minoritários, que é predominante em diodos de junção PN.

Aplicações: Seu baixo V_f os torna ideais para aplicações de alta frequência e retificação de energia, onde a eficiência energética é crítica.

Queda de tensão do diodo Zener

Os diodos Zener são projetados para operar em polarização reversa, com uma queda de tensão estável (V_z) que pode variar de 2V a mais de 200V. O V_z depende do nível de dopagem; diodos fortemente dopados têm V_z mais baixo. Os diodos Zener seguem o mecanismo de quebra do Zener até cerca de 5.6 V e, além disso, a quebra da avalanche domina.

Aplicações: Eles são amplamente utilizados em aplicações de regulação de tensão e referência devido à sua capacidade de manter uma tensão constante em uma ampla faixa de corrente.

Queda de tensão do diodo de germânio

Diodos de germânio, com energia bandgap de cerca de 0.66 eV, exibem um V_f em torno de 0.3V. Seu desempenho é afetado em temperaturas mais altas devido ao aumento da concentração intrínseca de portadores, levando a correntes de fuga mais altas em comparação aos diodos de silício.

Aplicações: Embora menos comuns, os diodos de germânio são usados ​​em aplicações de baixa tensão e na restauração de equipamentos eletrônicos antigos.

Queda de Tensão do Diodo de Silício

Diodos de silício, com energia bandgap de cerca de 1.1 eV, têm um V_f de aproximadamente 0.7V. Este valor pode variar ligeiramente com a concentração de dopagem e a construção do diodo. Os diodos de silício mantêm suas características em uma faixa de temperatura mais ampla em comparação aos diodos de germânio.

Aplicações: Sua confiabilidade e estabilidade os tornam adequados para uma ampla gama de aplicações, desde retificação de potência até processamento de sinais.

Diodos em Queda de Tensão em Série

Em uma configuração em série, a queda de tensão direta total é a soma cumulativa das quedas individuais do diodo. Por exemplo, três diodos de silício em série em níveis de corrente idênticos terão um V_f total de aproximadamente 2.1V. A corrente que passa por cada diodo deve ser idêntica, pois correntes diferentes podem levar a quedas de tensão desiguais e potencial falha do diodo.

Aplicações: As configurações de diodos em série são usadas em aplicações que exigem quedas de tensão mais altas do que um único diodo pode fornecer.

Diodos em queda de tensão paralela

Em conexões paralelas, a queda de tensão em cada diodo é igual à de um único diodo. No entanto, a correspondência de diodos é crucial, pois diferenças nas características V_f e I/V podem levar a um compartilhamento desigual de corrente, sobrecarregando potencialmente um diodo e subutilizando outros.

Aplicações: Configurações de diodos paralelos são usadas para aumentar a capacidade de manipulação de corrente enquanto mantém uma queda de tensão específica.

Perguntas Frequentes:

Como reduzir a tensão com diodo zener?

O diodo zener é um caso especial de diodo que permite que a corrente flua reversa em uma determinada tensão, conhecida como tensão zener. Também pode reduzir o inverso tensão e funcionar como um regulador de tensão eficiente.

Para usar um diodo zener para reduzir a tensão, temos que conectá-lo em paralelo com a carga do circuito. A tensão de alimentação deve ser maior que a tensão zener e o diodo deve estar em polarização reversa. Esta conexão ajuda a reduzir a tensão reversa para um valor específico e atua como um regulador de tensão.

Fórmula de queda de tensão do diodo

Para simplificar, a queda de tensão direta em um diodo é assumida como 0.7 V. Agora, se houver apenas um diodo em um circuito junto com uma carga, a queda de tensão na carga é (tensão de alimentação – 0.7) Volt. 

No caso de vários diodos em série em um circuito, a queda de tensão na carga é (tensão de alimentação - o número de diodos * 0.7). Por exemplo, na imagem 1, a queda de tensão no diodo D1= (5-0.7) = 4.3 V. A queda de tensão no diodo D2= (5-2 * 0.7) = 3.6 V. A queda de tensão no diodo D3 = (5- 3 * 0.7) = 2.9 V. 

queda de tensão do diodo
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Leia mais em….Queda de tensão para monofásico: como calcular e detalhes detalhados

Gráfico de queda de tensão do diodo

A tabela abaixo mostra os limites de queda de tensão de diferentes tipos de diodos.

Tipo de diodoQueda de voltagem
Diodo de silício0.6 0.7-Volt
Diodo de germânio0.25 0.3-Volt
Diodo Schottky0.15 0.45-Volt
LED vermelho1.7 2.2-Volt
LED azul3.5 4-Volt
LED amarelo2.1 2.3-Volt
LED verde2.1 4-Volt
LED branco3.3 4-Volt
LED laranja2.03 2.20-Volt
LED violeta2.76 4-Volt

Queda de tensão do diodo vs temperatura

Os diodos de silício têm um coeficiente de temperatura negativo de cerca de -2 mV/°C. Esta diminuição na queda de tensão com o aumento da temperatura é devida à maior mobilidade da portadora. Os diodos Schottky, com altura de barreira mais baixa, exibem um coeficiente de temperatura menor, normalmente em torno de -1 mV/°C.

Informações sobre o aplicativo: Esta propriedade é significativa em aplicações sensíveis à temperatura, onde os diodos podem atuar como sensores de temperatura ou compensadores em circuitos.

Queda de tensão do diodo vs corrente

A queda de voltagem através de um diodo aumenta com a corrente de forma não linear. Mas como a resistência diferencial é menor, o aumento é muito lento. Podemos considerar as características de tensão direta versus corrente. 

Em diodos de silício, à medida que a corrente aumenta de 1 mA para 1 A, V_f (queda de tensão direta) normalmente varia de 0.7 V a 0.8 V devido ao aumento do fluxo de elétrons. Os diodos de germânio mostram um aumento de V_f de 0.3V para 0.4V em condições semelhantes. A equação de Shockley detalha a relação: V_f = nV_t ln(I/I_s + 1). Aqui, n (fator de idealidade) varia de 1 (diodo ideal) a 2 (condições do mundo real), V_t (tensão térmica) é de cerca de 26 mV à temperatura ambiente e I_s (corrente de saturação) está na faixa de nanoampères.

A partir da curva IV, podemos ver que uma grande quantidade de aumento na corrente inicialmente produz um aumento insignificantemente pequeno na tensão. Então, mais rapidamente, a tensão aumenta e, eventualmente, aumenta muito rapidamente. A curva IV mostra um crescimento exponencial da tensão com a corrente. No momento em que Vd cruza 0.6/0.7 V, ele sobe rapidamente.

Quando a tensão cai em um diodo de junção PN?

Quando a corrente passa por qualquer componente presente em um circuito, ocorre uma queda de tensão. Da mesma forma, quando a corrente passa pelo diodo em polarização direta, então há um queda de voltagem, conhecido como queda de tensão direta.

O diodo de junção pn não pode enviar a corrente da junção na polarização reversa para resistência muito alta. A junção pn age como um circuito aberto, de modo que a queda de tensão naquele diodo de junção pn ideal permanece a mesma. É igual à tensão da bateria.

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Queda de tensão MOSFET conectada por diodo

Um MOSFET conectado a diodo, com a porta e a fonte em curto, exibe uma queda de tensão igual à sua tensão limite (V_th), normalmente na faixa de 0.7V a 1V. Essa queda é maior devido ao requisito V_gs (tensão porta-fonte) do MOSFET. O V_th específico depende do tipo e construção do MOSFET, com variações observadas em diferentes nós tecnológicos.

Aplicações: Os MOSFETs conectados por diodo são usados ​​em circuitos analógicos como referências de tensão e em circuitos digitais para mudança de nível lógico, beneficiando-se da alta impedância de entrada e da queda de tensão controlada do MOSFET.