Diodos: Especificações, Classificações e Parâmetros do Diodo
Os diodos podem parecer simples, mas eles têm muitas especificações, parâmetros e classificações de folha de dados que precisam ser entendidos ao selecionar um como substituto ou para um novo projeto de circuito eletrônico.
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Tutorial de Diodo Inclui:
Tipos de diodos | Especificações e classificações de diodos | Diodo de junção PN | LED | Diodo PIN | Diodo de barreira Schottky | Diodo SiC | Célula solar / diodo fotovoltaico | Varactor / varicap | Diodo Zener
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Compreender as especificações, parâmetros e classificações do diodo pode ser a chave para selecionar o componente eletrônico certo para um projeto de circuito eletrônico específico, seja um projeto de circuito padrão, projeto de fonte de alimentação, projeto de RF ou qualquer outro.
Com uma grande variedade de diodos disponíveis no mercado, selecionar o diodo necessário nem sempre parece fácil, e entender as especificações e fichas de dados para que o diodo certo possa ser selecionado é crucialmente importante.
A maioria das especificações, classificações e parâmetros são relativamente simples de entender, especialmente com uma pequena explicação, mas algumas podem exigir um pouco mais de explicação ou podem ser aplicáveis a um número limitado de diodos.
Além das especificações que abordam o desempenho elétrico, os pacotes físicos também são importantes. Os diodos vêm em uma variedade de pacotes, incluindo pacotes com extremidades de fio, bem como diodos de alta potência que são aparafusados em dissipadores de calor e com uma vasta quantidade de fabricação altamente automatizada e montagem de PCB, componentes de tecnologia de montagem em superfície – os diodos SMD são usados em grandes quantidades.
Consequentemente, algumas especificações de diodo serão aplicáveis a todos esses componentes eletrônicos e a projetos de circuitos eletrônicos em geral; outras serão aplicáveis a projetos de fontes de alimentação, outras a projetos de RF e ainda outras especificações a outras áreas específicas do projeto de circuitos.
Classificações e parâmetros de especificações de diodo
As especificações dos diodos aparecem nas folhas de dados e fornecem uma descrição do desempenho do dispositivo específico. A inspeção dos parâmetros de desempenho permitirá que o diodo seja avaliado para saber se ele fornecerá o desempenho necessário para a função pretendida dentro de um circuito eletrônico.
Diferentes parâmetros de especificação são mais aplicáveis para diodos usados em diferentes aplicações, diferentes projetos de circuitos eletrônicos, etc. Para aplicações de energia, aspectos como capacidade de corrente, queda de tensão direta, temperatura de junção e similares serão importantes, mas para projetos de RF, a capacitância , e ligar a tensão geralmente será de grande interesse.
Os aspectos abaixo detalham alguns dos parâmetros ou especificações mais amplamente utilizados em folhas de dados para a maioria dos tipos de diodo.
A lista abaixo fornece detalhes das várias características de diodo e parâmetros de diodo encontrados nas folhas de dados e especificações para diodos.
Material semicondutor
O material semicondutor usado no diodo de junção PN é de suma importância porque o material usado afeta muitas das principais características e propriedades do diodo. Silício e germânio são dois materiais amplamente utilizados:
- Silício: O silício é o material mais utilizado, pois oferece altos níveis de desempenho para a maioria das aplicações e oferece baixos custos de fabricação. A tecnologia do silício está bem estabelecida e os diodos de silício podem ser fabricados de forma barata. A tensão de ativação direta é de cerca de 0,6 V, o que é alto para algumas aplicações, embora para diodos Schottky seja menor.
- Germânio: o germânio é menos utilizado e oferece uma baixa voltagem de cerca de 0,2 a 0,3 V.
Outros materiais são geralmente reservados para diodos mais especializados. Por exemplo, os LEDs usam materiais compostos para fornecer as diferentes cores.
Tipo de diodo
Embora a maioria dos diodos tenha uma junção PN como base de sua construção, diferentes tipos de diodo são formulados para fornecer características diferentes e, às vezes, podem operar de maneiras diferentes.
Selecionar o tipo certo de diodo para qualquer projeto de circuito eletrônico é fundamental.
Os diodos Zener são usados para fornecer tensões de referência, enquanto os diodos varactor são usados para fornecer um nível variável de capacitância em um projeto de RF de acordo com a polarização reversa fornecida. Os diodos retificadores podem usar um diodo de junção PN direto ou, em alguns casos, podem usar um diodo Schottky para uma tensão direta mais baixa.
Qualquer que seja o projeto do circuito, é necessário usar o tipo certo de componente eletrônico para obter a funcionalidade e o desempenho necessários.
Especificação de queda de tensão direta, Vf
Qualquer dispositivo eletrônico que passe corrente desenvolverá uma tensão resultante através dele e essa característica do diodo é de grande importância, especialmente para retificação de energia, onde as perdas de energia serão maiores para uma alta queda de tensão direta. Além disso, os diodos para projetos de RF geralmente precisam de uma pequena queda de tensão direta, pois os sinais podem ser pequenos, mas ainda precisam superá-lo.
A tensão através de um diodo de junção PN surge por dois motivos. O primeiro da natureza da junção PN do semicondutor e resulta da tensão de ativação mencionada acima. Essa tensão permite que a camada de depleção seja superada e que a corrente flua.
A segunda decorre das perdas resistivas normais do dispositivo. Como resultado, será fornecido um valor para a queda de tensão direta em um nível de corrente especificado. Esta figura é particularmente importante para diodos retificadores onde níveis significativos de corrente podem passar.
Particularmente para diodos de retificação de potência, um gráfico da queda de tensão direta para vários níveis de corrente é normalmente fornecido na folha de dados. Isso terá uma faixa de valores típicos e, usando isso, a faixa de queda de tensão pode ser determinada para os níveis de corrente antecipados a serem transportados. É possível então determinar a potência que será dissipada na área de junção do diodo.
Especificação de pico de tensão inversa, PIV:
Esta característica do diodo é a tensão máxima que um diodo pode suportar na direção reversa. Esta tensão não deve ser excedida, caso contrário o dispositivo pode falhar.
A especificação PIV é particularmente aplicável a projetos de circuitos de fonte de alimentação onde tensões mais altas são comumente presentes.
A tensão inversa de pico não é simplesmente a tensão RMS da forma de onda de entrada. Cada projeto de circuito eletrônico precisa ser considerado em seus próprios méritos, mas para um simples retificador de meia onda de diodo único com alguma forma de capacitor de suavização posterior, deve-se lembrar que o capacitor manterá uma tensão igual ao pico da forma de onda de tensão de entrada .
O diodo também verá o pico da forma de onda de entrada na direção reversa e, portanto, nessas circunstâncias, verá uma tensão inversa de pico igual ao valor pico a pico da forma de onda.
Especificação de tensão de ruptura reversa, V (BR)R
Essa especificação é um pouco diferente da tensão de pico inversa, pois essa tensão é o ponto no qual o diodo irá quebrar.
O diodo pode suportar uma tensão reversa até um certo ponto e, em seguida, irá quebrar. Em alguns diodos e em alguns circuitos causará danos irreparáveis, embora para Zener / diodos de referência de tensão o cenário de quebra reversa seja o que é usado para a referência de tensão, embora o circuito deva ser projetado para limitar o fluxo de corrente, caso contrário, o diodo pode ser destruído.
Corrente direta máxima
Para um projeto de circuito eletrônico que transporta níveis significativos de corrente, é necessário garantir que os níveis máximos de corrente para o diodo não sejam excedidos.
À medida que os níveis de corrente aumentam, o calor adicional é dissipado e precisa ser removido. Além disso, a densidade de corrente dentro da junção não deve ser excedida, caso contrário pode ocorrer queima.
A seleção de um diodo para o projeto do circuito que possa lidar com a corrente com segurança, também permitindo uma boa margem (normalmente funcionando a 60% ou menos) garantirá que a confiabilidade do circuito geral seja suficientemente alta.
Temperatura de operação da junção
Como todos os componentes eletrônicos, os diodos têm uma temperatura operacional máxima. Na folha de dados, haverá uma seção descrevendo a temperatura máxima da junção. À medida que a temperatura da junção aumenta, a confiabilidade diminui a longo prazo. Se a temperatura máxima da junção for excedida, o diodo provavelmente falhará e poderá até pegar fogo.
Deve ser lembrado que a temperatura da junção está relacionada à própria junção do diodo dentro do encapsulamento e não à temperatura do encapsulamento. Uma margem muito boa deve ser permitida entre a temperatura do pacote e a temperatura da junção em qualquer projeto de circuito eletrônico.
Freqüentemente, as curvas serão fornecidas na folha de dados para permitir que a temperatura da junção seja determinada. Também é possível calcular a temperatura da junção a partir do conhecimento da corrente, queda de tensão direta e resistência térmica: especificações que são mencionadas nas folhas de dados e mencionadas aqui também.
Tendo em vista os aspectos de confiabilidade a longo prazo, é sempre melhor operar o diodo bem dentro de suas classificações. Isso dá uma boa margem para garantir uma operação confiável de longo prazo e para o diodo acomodar quaisquer picos de curto prazo. Isso é o mesmo para qualquer componente eletrônico.
Junção à resistência térmica ambiente, Θ JA
Este parâmetro de especificação da folha de dados do diodo é medido em °C por watt e significa que para cada watt dissipado na junção haverá um determinado aumento de temperatura acima do ambiente. Isso significa que, para um diodo com uma junção com resistência térmica ambiente de 50 °C/W, a temperatura da junção aumentará 50 °C para cada watt de potência dissipado.
A junção à resistência térmica ambiente é, na verdade, a soma de uma série de áreas individuais do diodo: resistência térmica da junção à caixa, resistência térmica da caixa à superfície e resistência térmica da superfície ao ambiente, conforme mostrado por esta fórmula : θ JA = θ JC + θ CS + θ SA .
Esta especificação geral é a chave para poder determinar a temperatura operacional real da junção – um parâmetro chave a ser monitorado ao projetar um circuito no qual os diodos carregam uma corrente apreciável, de modo que a corrente passada dê origem à dissipação de energia.
A temperatura da junção pode ser calculada usando a fórmula:
Onde:
T J temperatura de junção
T AMB = temperatura ambiente
Θ JA = junção para resistência térmica ambiente.
Especificação de corrente de fuga
Se um diodo perfeito estivesse disponível, nenhuma corrente fluiria quando ele fosse polarizado reversamente. Verificou-se que, para um diodo de junção PN real, uma quantidade muito pequena de fluxo de corrente na direção reversa como resultado dos portadores minoritários no semicondutor. O nível de corrente de fuga depende de três fatores principais. A tensão reversa é obviamente significativa. Também é dependente da temperatura, aumentando consideravelmente com a temperatura. Verificou-se também que é muito dependente do tipo de material semicondutor usado – o silício é muito melhor do que o germânio.
A característica ou especificação da corrente de fuga para um diodo de junção PN é especificada em uma certa tensão reversa e temperatura específica. A especificação é normalmente definida em termos de microamps, µA ou picoamps, pA, pois os níveis são normalmente muito baixos antes que ocorra a quebra reversa.
Vale a pena notar que os diodos de silício padrão, que formam a grande maioria dos diodos usados, têm níveis muito baixos de corrente reversa, mas os diodos de germânio e também os diodos Schottky têm níveis mais altos de corrente reversa. Ambos os últimos tipos de diodo encontram uso em projetos de RF e os diodos Schottky também em aplicações de energia.
Capacitância de junção:
Todos os diodos de junção PN exibem um certo nível de capacitância de junção. A região de depleção é o espaçamento dielétrico entre as duas placas que são efetivamente formadas na borda da região de depleção e na área com portadores majoritários.
O valor real da capacitância depende da tensão reversa que faz com que a região de depleção mude. Aumentar a tensão reversa aumenta o tamanho da região de depleção e a distância entre as duas regiões condutoras. Portanto, isso diminui a capacitância.
Este fato é usado em diodos varactor ou varicap com bom efeito, e é amplamente usado em oscilador de frequência variável e filtros de frequência variável e outros projetos de RF.
No entanto, para muitas outras aplicações, especialmente alguns projetos de RF onde a capacitância parasita através do diodo pode afetar o desempenho, isso precisa ser minimizado. Como a capacitância é importante, ela é especificada.
O parâmetro é normalmente detalhado como uma determinada capacitância (normalmente em pF, pois os níveis de capacitância são relativamente baixos) em uma determinada tensão ou tensões. Também estão disponíveis diodos especiais de baixa capacitância para muitas aplicações de RF.
Vale a pena notar que, para muitas aplicações de retificador de potência, a capacitância é suficientemente baixa para não ser um problema. Como exemplo, a capacitância de junção de um 1N4001 e 1N4004 é de apenas 15 pF para uma tensão reversa de 4 volts e menos à medida que a tensão aumenta. Diodos de tensão mais alta podem ser menores – um 1N4007 tem uma capacitância de junção de 8 pF para uma tensão reversa de 4 volts.
Consequentemente, é apenas quando as frequências aumentam que o efeito da capacitância é percebido. Como os níveis de capacitância são baixos, frequências até cerca de 100 kHz geralmente não são afetadas por ela e, na maioria dos casos, podem ser ignoradas até frequências mais altas.
Tipo de pacote:
Os diodos podem ser montados em uma variedade de pacotes de acordo com suas aplicações e, em algumas circunstâncias, especialmente em aplicações de projeto de RF, o pacote é um elemento-chave na definição das características gerais do diodo de RF.
Também para aplicações de energia onde a dissipação de calor é importante, o pacote pode definir muitos dos parâmetros gerais do diodo porque os diodos de alta potência podem exigir pacotes que podem ser aparafusados aos dissipadores de calor, enquanto pequenos diodos de sinal onde a dissipação de calor não é um problema podem estar disponíveis em chumbo formatos ou como dispositivos de montagem em superfície.
Também diodos de alta potência podem estar disponíveis como retificadores de ponte contendo quatro diodos em uma ponte adequada para aplicações divertidas de retificação de onda.
Diodos de montagem em superfície, diodos SMD são usados em grandes quantidades porque a maioria da fabricação de eletrônicos e montagem de PCB é realizada usando técnicas automatizadas e a tecnologia de montagem em superfície se presta a isso.
Além disso, os diodos estão disponíveis em chumbo e aqueles que usam pacotes de tecnologia de montagem em superfície dependem do diodo. A maioria dos diodos de RF e de baixa potência estão disponíveis em pacotes de tecnologia de montagem em superfície, tornando-os mais apropriados para fabricação em larga escala.
Esquemas de codificação e marcações de diodo
A maioria dos diodos usados tem números de peça em conformidade com os esquemas JEDEC ou Pro-Electron. Números como 1N4001, 1N916, BZY88 e muitos outros são muito familiares para qualquer pessoa envolvida em design e fabricação de eletrônicos.
No entanto, ao usar técnicas automatizadas de montagem de PCB de placa de circuito impresso e tecnologia de montagem em superfície, descobriu-se que muitos dispositivos são muito pequenos para transportar o número total que pode ser usado em uma folha de dados. Como resultado, desenvolveu-se um sistema de codificação bastante arbitrário, pelo qual a embalagem do dispositivo contém um código de identificação simples de dois ou três caracteres.
Isso normalmente pode ser acomodado nos pequenos pacotes de diodos de montagem em superfície. No entanto, identificar o número do tipo do fabricante de um diodo SMD a partir do código do pacote pode não ser fácil à primeira vista. Existem alguns livros de códigos SMD úteis disponíveis que fornecem os dados para esses dispositivos. Por exemplo, o código “13s” indica um diodo de montagem em superfície BAS125 em um pacote SOT23 ou SOT323.
Exemplo de especificações típicas de diodo
Embora existam muitos diodos diferentes com um grande número de especificações diferentes, às vezes ajuda ver quais são as várias especificações e parâmetros e como eles são expressos em um formato semelhante aos vistos nas folhas de dados.
| CARACTERÍSTICAS/ESPECIFICAÇÕES TÍPICAS DE 1N5711 | |||
|---|---|---|---|
| CARACTERÍSTICA | VALOR TÍPICO | UNIDADE | DETALHES |
| Tensão máxima de bloqueio DC, Vr | 70 | V | |
| Corrente máxima direta contínua, Ifm | 15 | mA | |
| Tensão de ruptura reversa, V(BR)R | 70 | V | @ corrente reversa de 10µA |
| Corrente de fuga reversa, IR | 200 | µA | Em VR=50V |
| Queda de tensão direta, VF | 0,41 1,00 | V | em IF = 1,0 mA IF = 15mA |
| Capacitância de junção, Cj | 2.0 | pF | VR = 0V, f = 1MHz |
| Tempo de recuperação reverso, trr | 1 | nS |
O 1N5711 é um diodo de baixa corrente razoavelmente padrão e a especificação indica os tipos de valores que ele fornece. Combinar seu desempenho com o do projeto do circuito é fundamental. Outros diodos semicondutores terão parâmetros de desempenho diferentes e podem ser aplicáveis a diferentes aplicações e projetos de circuitos. Esta é apenas uma especificação de exemplo e outros diodos podem oferecer níveis de desempenho bastante diferentes.
O grande número de diodos tem um grande número de características diferentes. Alguns diodos podem ser projetados exclusivamente para retificação, enquanto outros podem ser projetados para emitir luz, detectar luz, atuar como uma referência de tensão, fornecer capacitância variável e similares. Os diodos também vêm em uma variedade de pacotes, com a grande maioria atualmente sendo vendida como diodos de montagem em superfície para montagem automatizada de PCB.
Seja qual for o tipo de diodo, muitas das especificações básicas, parâmetros e classificações mencionadas acima serão importantes. Compreender os principais parâmetros e classificações desses componentes eletrônicos ao observar as especificações nas folhas de dados é a chave para selecionar o diodo certo. Compreender as especificações permite que decisões sábias sejam tomadas durante o processo de design de circuitos eletrônicos para qualquer projeto que use diodos.
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