Um diodo é o dispositivo eletrônico mais simples. Existem muitos tipos diferentes de diodos. A maioria são diodos semicondutores, enquanto muitos diodos têm uma construção diferente das junções PN típicas. Todos os diodos são, por definição, válvulas eletrônicas controladas por tensão unidirecional de dois terminais.
Diodos de sinal são freqüentemente usados em circuitos eletrônicos. Freqüentemente, o termo diodo de sinal é usado para fazer referência a “diodos de pequenos sinais”. Eles são projetados para operar pequenas correntes e sinais de alta frequência, razão pela qual são comumente usados em circuitos de rádio, televisão, comunicação e comutação.
Esses diodos semicondutores de uso geral podem ser facilmente identificados por seu tamanho relativamente pequeno e são diodos “passivados de vidro” ou diodos de “contato de ponto”. Em um diodo passivado em vidro, a junção PN é encapsulada em vidro para protegê-la de contaminação. Existe uma faixa vermelha ou preta em uma das extremidades para identificar o terminal catódico. A potência e a corrente nominal dos diodos de sinal são mínimas – normalmente 500mW e 150mA, respectivamente. Os diodos de sinal são mais adequados para aplicações de alta frequência ou aplicações de comutação que envolvem formas de onda de pulso curto.
Os diodos de contato pontual são ligeiramente diferentes em construção. Um diodo de contato pontual é construído criando uma junção PN entre um fio de ouro ou tungstênio e um material de germânio tipo n. O fio dourado permite a passagem de alta corrente pela junção. Diodos de contato pontual são usados para detectar sinais de alta frequência, pois esses diodos têm a característica de bloquear sinais CC durante a passagem de CA de alta frequência.
Quase todos os diodos de sinal são de silício ou germânio, mas ambos os tipos têm especificações ligeiramente diferentes. Um diodo de silício possui alta resistência reversa, enquanto um diodo de germânio possui menor. A tensão de ativação de um diodo de silício é de 0,6 a 0,7 V, e um diodo de germânio é de 0,2 a 0,3 V. Os diodos de silício têm resistência direta mais baixa, o que permite altos picos de corrente direta e de tensão reversa. O símbolo dos diodos de sinal é igual ao do diodo genérico.
Símbolo de um diodo de sinal.
Características do diodo de sinal VI
As características VI de um diodo de sinal são as mesmas de qualquer diodo semicondutor.
Gráfico mostrando as características VI do diodo de sinal.
O diodo conduz corrente quando a alimentação positiva é aplicada ao ânodo e a alimentação negativa é aplicada ao cátodo. O diodo bloqueia qualquer corrente se a tensão for aplicada na direção reversa. Idealmente, um diodo de sinal deve bloquear completamente um sinal negativo. Se o pico do sinal negativo estiver além da tensão Zener do diodo de sinal, ele deverá quebrar e poderá ser danificado permanentemente. Portanto, espera-se que um diodo de sinal funcione como uma válvula unidirecional perfeita para sinais eletrônicos de alta frequência. O sinal positivo deve ser maior que a tensão de joelho do diodo para ser visível através do cátodo do diodo. Normalmente, os circuitos de comunicação e comutação operam com sinais de 4V e superiores. Portanto, uma queda de tensão de 0,3 V para um diodo de germânio ou de 0,7 V para um diodo de silício tem um impacto insignificante nos níveis do sinal de saída.
Construção de diodo de sinal
Diodos de pequenos sinais são construídos como diodos PN com uma pequena área de junção. Uma área de junção menor dá ao diodo uma capacitância de junção menor. Isto também reduz o tempo de recuperação reversa do diodo para alguns nanossegundos ou menos. A pequena capacitância de junção e a resposta rápida tornam o diodo adequado para aplicações de alta frequência. A construção mais simples de um diodo de sinal é a infusão de silício tipo p sobre silício tipo n. Contudo, a construção simples tem especificações menos previsíveis.
Construção simples de diodo de sinal.
Uma construção melhor de um diodo de sinal é o diodo Mesa. Em um diodo Mesa, uma parte do bloco PN é gravada. Isso dá ao diodo uma estrutura de platô com topo alto. Além disso, a camada tipo N é dividida em duas regiões – uma próxima ao material tipo p que é levemente dopado e outra camada fortemente dopada próxima ao contato do cátodo. Toda a estrutura é isolada por uma camada encapsulante de óxido de silício ou vidro passivado para proteger o diodo da oxidação. A construção do Mesa'diode torna o diodo de sinal mais confiável e resulta em melhor previsibilidade de seus parâmetros.
Construção de diodo Mesa.
Especificações do diodo de sinal
Os diodos de sinal são fabricados com uma ampla gama de especificações de diodos. Estas características estáticas desempenham um papel importante na seleção de um modelo específico para uma determinada aplicação. Algumas das especificações importantes do diodo de sinal são as seguintes –
- Corrente direta máxima – É a corrente direta máxima permitida para fluir através do diodo. Quando o diodo é polarizado diretamente, a corrente que passa por ele aumenta exponencialmente. O fluxo de corrente elétrica através do diodo dissipa energia na forma de calor. À medida que mais corrente direta flui através do diodo, mais calor é produzido em sua junção. Isso leva à sobrecarga térmica, causando falha ou dano ao diodo. É por isso que todos os diodos de sinal têm uma classificação máxima de corrente direta. Normalmente, está em mA e é fornecido para temperatura ambiente (25˚C). Um resistor em série com o diodo de sinal pode ser conectado para proteger o diodo de altas correntes. A corrente direta máxima é indicada como 'corrente direta contínua' para sinais DC e 'corrente direta repetitiva' para sinais AC. A classificação da corrente direta repetitiva é sempre maior (quase o dobro ou maior) do que a classificação da corrente direta contínua. A classificação de corrente máxima também é indicada como uma corrente direta de pico não repetitiva. Isto normalmente é dado em relação às ondas quadradas dos períodos de tempo testados. Esta classificação é útil para determinar a utilidade do diodo em aplicações de semicondutores de alta frequência cujas amplitudes e frequências de sinal de pico são bem definidas.
- Tensão reversa máxima – É a tensão máxima de operação reversa que pode ser aplicada ao diodo de sinal sem quebrá-lo e danificá-lo. É sempre menor que a tensão de ruptura da avalanche e pode variar de poucos volts a milhares de volts. A classificação PIV é um fator crucial a ser considerado sempre que o diodo de sinal tiver que ser aplicado em aplicações CA. Deve ser considerado sempre que o diodo for substituído em um circuito. A tensão reversa máxima é indicada como 'tensão reversa contínua' para sinais DC e 'tensão reversa repetitiva' para sinais AC. Normalmente, ambas as classificações são iguais. Portanto, os diodos de sinal têm a mesma classificação PIV para aplicações CC e CA.
- Dissipação total de energia – É a potência máxima que o diodo de sinal pode dissipar na condição de polarização direta. Como já mencionado, o diodo de sinal dissipa energia elétrica na forma de calor através da junção. A corrente aumenta exponencialmente através do diodo para uma pequena mudança na tensão direta. A dissipação de potência é derivada da multiplicação da tensão direta e da corrente através do diodo (P = V*I). A dissipação total de potência dos diodos de sinal está na faixa de mW fornecida para a temperatura ambiente.
- Temperatura máxima de operação – É indicada como a temperatura da junção em uma folha de dados do diodo. Está relacionado à dissipação de potência do diodo. É fornecido em graus centígrados. A temperatura da junção depende tanto da corrente direta quanto da temperatura ambiente. Ambos os fatores aumentam a temperatura da junção ou a temperatura operacional do diodo.
- Tensão direta – A tensão direta é fornecida para diferentes níveis de corrente. Normalmente é de 0,6 V a 1 V para diodos de silício e 0,2 a 0,5 V para diodos de germânio.
- Corrente inversa – A corrente reversa total inclui a corrente de saturação reversa e a corrente devida a contatos metálicos na condição de polarização reversa. É fornecido para uma determinada tensão reversa e normalmente está na faixa uA ou nA.
- Capacitância de Diodo – É a capacitância de junção do diodo de sinal. É fornecido para uma frequência específica e normalmente está na faixa de pF.
- Tempo de recuperação reversa – É um fator importante para a seleção do diodo em aplicações de comutação. É fornecido para um determinado nível de corrente dentro de uma determinada faixa de corrente direta e reversa para uma resistência de carga conhecida. Geralmente é em nanossegundos.
- Tensão de recuperação direta – A tensão necessária para reverter o nível de corrente direta do diodo de sinal. É um parâmetro útil para aplicações de comutação de alta velocidade. Geralmente é maior que a tensão direta do diodo.
Além das especificações mencionadas acima, a folha de dados de um diodo de sinal possui muitos gráficos. É importante notar que a corrente direta contínua é plotada em relação à temperatura ambiente, a corrente reversa é plotada em função da temperatura da junção, a corrente direta é plotada em função da tensão direta, a tensão direta de pico repetitiva é plotada em função da duração do pulso, e a capacitância do diodo é plotada em função da tensão reversa. Esses gráficos mostram a interdependência de vários parâmetros e sua aplicabilidade em regiões características diretas e reversas.
A tabela a seguir lista alguns dos diodos de sinal populares com seus parâmetros notáveis.
Observe que esta lista não é de forma alguma exaustiva. Não pode ser. No entanto, esta lista pode ser um ponto de partida para explorar os diodos de sinal. Procure as fichas técnicas dos diodos de sinal mencionados acima. Observe os parâmetros e especificações comuns fornecidos para eles. Você encontrará algumas folhas de dados bastante detalhadas e elaboradas, enquanto algumas folhas de dados são extremamente precisas. Por exemplo, a seguinte folha de dados do diodo de sinal 1N4148 contém muitos detalhes. No entanto, a seguinte folha de dados do 1N4151 é muito precisa.
Compare as duas folhas de dados e descubra os parâmetros e especificações comuns que são essencialmente indicados em ambas as folhas de dados. Existem milhares de diodos de sinal disponíveis em centenas de fabricantes. Pesquise e descubra os diodos de sinal mais populares. Tente explorar por que alguns diodos de sinal são mais populares, enquanto outros têm aplicações específicas.
Aplicações de diodo de sinal
Algumas das aplicações comuns de diodos de sinal são as seguintes:
Modelagem ou recorte de ondas – Diodos de sinal são freqüentemente usados para cortar sinais CA. Um ou mais diodos de sinal podem ser usados para cortar um sinal de entrada. Um diodo de sinal pode cortar apenas um ciclo positivo ou apenas um ciclo negativo. O uso de dois diodos de sinal pode cortar ambos os ciclos de um sinal CA de entrada. O diodo de sinal ignora o sinal cortado na condição de polarização direta se estiver conectado em paralelo à porta de entrada. O sinal de saída não cortado é obtido para o período de polarização reversa do diodo. Se ambos os ciclos forem moldados usando diodos de sinal, dois diodos de sinal serão conectados ao circuito na configuração oposta. Portanto, um diodo opera em um ciclo e o outro opera no outro ciclo da onda CA. O diodo de sinal ignora o sinal não cortado se conectado em série com o sinal de entrada. Se a tensão de pico do sinal CA não for muito alta, a tensão direta do diodo pode ter um impacto significativo na formação da onda.
Fixação e restauração DC – Diodos de sinal são usados para alterar o nível DC dos sinais AC. Isso é chamado de fixação de diodo ou restauração DC. Um circuito clamper envolve essencialmente um diodo de sinal e um capacitor. A fixação de diodo é frequentemente usada em circuitos digitais para redefinir os limites superior e inferior dos sinais de onda quadrada para comunicar sinais entre dois sistemas de níveis de sinal diferentes ou para outros requisitos específicos, como ajuste do brilho do pixel de uma tela de exibição.
Diodos de proteção – Os diodos de sinal também são usados para proteger outros dispositivos semicondutores e interfaces contra picos repentinos de tensão e tensões de sinal excessivas. Tais mecanismos de proteção são frequentemente necessários em sistemas de controle onde circuitos ou interfaces semicondutores controlam atuadores de alta potência. Os diodos de roda livre são amplamente utilizados para proteger dispositivos semicondutores. Um diodo de sinal é conectado em paralelo a uma carga indutiva que é útil para suprimir picos de tensão e transientes. Diodos de roda livre são comumente usados para proteger MOSFET e transistores de potência de cargas indutivas, como motores, e danos causados pela proteção reversa da bateria.
Regulação de tensão – Em alguns casos, diodos de sinal também podem ser empregados para simples regulação de tensão. Na região de polarização direta, um diodo de sinal tem uma queda de tensão constante. Ao conectar muitos diodos de sinal em série, uma tensão fixa pode ser eliminada da tensão de entrada. Para regulação de tensão, os diodos Zener são uma alternativa melhor. Ainda assim, a regulação simples de tensão pode ser obtida usando diodos de sinal.
Pacotes de diodos de sinal
Existem milhares de modelos de diodos de sinal disponíveis em centenas de fabricantes. Os diodos de sinal estão mais comumente disponíveis como um componente discreto em pacotes passantes e SMD. Existem também matrizes de diodos de sinal disponíveis para proteger linhas de dados em computadores e circuitos digitais e proteger portas de dados contra picos de tensão e ESD. Os arranjos de diodos estão disponíveis como diodos isolados, cátodo comum e arranjos de ânodo comum.