Fundamentos de Eletrônica: Componentes, Materiais e Diodos Zener

Diferença entre Componentes Ativos e Passivos

Os componentes ativos são capazes de gerar energia ou necessitam ser energizados de alguma forma para poder funcionar, ou são usados para amplificar sinais. Os componentes passivos não podem gerar energia e nem necessitam de energia para funcionar, embora alguns passivos possam armazenar energia.

Exemplos de Componentes

• Ativos: fontes, baterias, transistores, amplificadores.
• Passivos: resistores, capacitores e diodos.

Condutores, Semicondutores e Isolantes

Condutores

A maioria dos condutores usados em equipamentos eletrônicos são metais como cobre, alumínio e aço. Os condutores são materiais que obedecem à Lei de Ohm e têm resistência muito baixa. Eles podem, portanto, conduzir correntes elétricas de um lugar para outro sem dissipar muita energia. Como resultado, os metais são úteis para ligar os fios e transportar sinais elétricos de um lugar para outro. Eles ajudam a garantir que a maior parte da potência do sinal chegue ao seu destino, em vez de aquecer os fios no meio.

Semicondutores

Todos os transistores, diodos, circuitos integrados, etc., usados em equipamentos eletrônicos modernos são construídos utilizando uma gama de semicondutores. A propriedade básica de um semicondutor é dada por seu nome – ele conduz um pouco. Um semicondutor irá transportar a corrente elétrica, mas não tão facilmente como um condutor normal. Alguns materiais são semicondutores intrínsecos. As propriedades semicondutoras ocorrem nestes materiais naturalmente. No entanto, a maioria dos materiais semicondutores usados em equipamentos eletrônicos é extrínseca. Isto significa que, por si só, são excelentes isolantes. Estes materiais são transformados em semicondutores ao dopá-los com pequenas quantidades de átomos estranhos. O número de átomos de dopagem que se precisa adicionar é muito pequeno.

Isolantes

Vidro, a maioria dos polímeros (plásticos), borracha e madeira são exemplos de isolantes. Estes são materiais que se recusam a transportar uma corrente elétrica. Eles são úteis para trabalhos como revestimento de fios elétricos para impedir um curto-circuito ou para evitar levar um choque. Seda e algodão também são bons isolantes (quando secos!) e estavam presentes em alguns dos cabos de alimentação em casas muito antigas, mas não são mais utilizados, pois para os padrões modernos isso é muito perigoso, já que você poderia causar um curto-circuito quando molhado ou uma faísca, podendo gerar fogo quando seco! Isolantes modernos, como o PVC (Policloreto de Vinila), são muito melhores e mais seguros. Isolantes também são muito úteis para preencher o 'gap' entre as placas de metal de um capacitor. Capacitores muito antigos (e em alguns rádios modernos) usam aberturas de ar, já que o ar é um bom isolante.

Símbolos e Funcionamento do Diodo Zener

Símbolo de LED e Diagrama de Diodos Zener

Diodo Zener: Conceitos e Aplicações

Um diodo Zener é constituído por uma junção PN de material semicondutor (silício ou germânio) e por dois terminais: o ânodo (A) e o cátodo (K).

O terminal mais próximo do anel é o cátodo (K).

Se desejarmos alimentar uma carga qualquer com uma tensão invariável, perfeitamente isenta de qualquer variação ou flutuação, basta montar o sistema constituído pelo diodo Zener (polarizado inversamente) e a resistência limitadora R, de tal modo que o diodo fique em paralelo com a carga.

O diodo Zener, quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo), permite manter uma tensão constante em seus terminais (U_Z), sendo por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos.

Condições para Estabilização de Tensão com Diodo Zener

Para que o diodo Zener estabilize a tensão em seus terminais, deve-se atentar ao seguinte:

• O diodo Zener deve estar polarizado inversamente (A → - e K → +).
• A tensão de alimentação do circuito deve ser superior à tensão de Zener (U_Z) do diodo.
• A carga ou cargas do circuito devem estar ligadas em paralelo com o diodo Zener.
• Para que ocorra o efeito estabilizador de tensão, é necessário que o diodo Zener trabalhe dentro da zona de ruptura, respeitando as especificações da corrente máxima.

Diodos Zener são definidos pela sua tensão de Zener (V_Z). Para que haja regulação/estabilização de tensão em seus terminais, a corrente que circula pelo diodo Zener (I_Z) deve manter-se entre os valores mínimo e máximo definidos para a corrente de Zener. Se for menor que o valor mínimo, não haverá regulação de tensão; se for maior, a junção PN pode ser rompida por excesso de corrente.

Quando um diodo Zener está a trabalhar na zona de ruptura, um aumento na corrente produz um ligeiro aumento na tensão. Isto significa que o diodo Zener tem uma pequena resistência, também denominada impedância Zener (Z_Z).

Variando-se o nível de dopagem dos diodos de silício, o fabricante pode produzir diodos Zener com diferentes tensões de Zener.

Vimos que o diodo retificador comportava-se quase como um isolante quando a polarização era inversa. O mesmo ocorre com o diodo Zener até um determinado valor de tensão (V_Z), a partir do qual ele começa a conduzir fortemente.

Por que o Diodo Zener Conduz Inversamente?

Qual será, então, o fato que justifica esta transformação de isolante em condutor?

A explicação é-nos dada pela teoria do efeito Zener e do efeito de avalanche.

Efeito Zener

Ao aplicar ao diodo uma tensão inversa de determinado valor (V_Z), a estrutura atômica do diodo é rompida e a zona neutra é vencida, originando assim a corrente elétrica inversa. Este efeito verifica-se geralmente para tensões inversas V_R < 7V.

Efeito de Avalanche

Para tensões inversas V_R > 7V, a condução do diodo é explicada exclusivamente pelo efeito de avalanche. Quando se aumenta o valor da tensão inversa, aumenta também a velocidade das cargas elétricas (elétrons). A velocidade atingida pode ser suficiente para libertar elétrons dos átomos semicondutores, através do choque. Estes novos elétrons libertados e acelerados libertam outros, originando uma reação em cadeia, à qual se dá o nome de efeito de avalanche.

Para tensões inversas V_R entre 5V e 7V, a condução do diodo é explicada cumulativamente pelos dois efeitos (efeito Zener e efeito de avalanche).