O diodo é um dos componentes mais importantes e mais simples da eletrônica.
Uma das primeiras coisas que aprendemos sobre ele é:
o diodo permite a passagem da corrente predominantemente em um sentido e bloqueia no sentido contrário.
Essa característica fica particularmente interessante quando colocamos um diodo em um circuito alimentado por corrente alternada (CA).
Isso porque a polaridade da tensão alternada muda continuamente.
Então surge uma pergunta:
se a corrente alternada muda de sentido o tempo todo e o diodo conduz predominantemente em apenas um sentido, o que acontece com a onda depois que ela passa pelo diodo?
É isso que vamos entender.
Como funciona um diodo?
Um diodo semicondutor possui dois terminais:
ânodo (A) e cátodo (K).
Quando ele é submetido à polarização adequada para condução, dizemos que está:
diretamente polarizado.
Quando a polaridade é invertida, dizemos que está:
reversamente polarizado.
Em uma explicação inicial, podemos pensar assim:
polarização direta → diodo conduz
polarização reversa → diodo bloqueia.
Na prática, um diodo real não é uma chave perfeita. Existem características como queda de tensão direta, corrente de fuga reversa e limites máximos de tensão e corrente.
Mas esse modelo simplificado é excelente para começarmos a compreender seu funcionamento.
O que acontece na corrente contínua?
Imagine primeiro uma bateria alimentando um resistor através de um diodo.
Se colocarmos o diodo na orientação adequada:
fonte → diodo → resistor
ele estará diretamente polarizado e poderá conduzir corrente.
Se invertermos o diodo:
fonte → diodo invertido → resistor
ele ficará reversamente polarizado e, em condições normais de operação, praticamente impedirá a circulação da corrente.
Até aqui é relativamente simples.
Mas o que acontece quando a tensão muda constantemente de polaridade?
O que é corrente alternada?
Na corrente alternada, ou CA, a tensão varia com o tempo e muda periodicamente de polaridade.
Uma forma de onda muito utilizada para representar a tensão alternada é a:
senoide.
Ela possui duas regiões que podemos chamar de:
semiciclo positivo
e
semiciclo negativo.
Depois o processo se repete continuamente.
Em uma rede elétrica de 60 Hz, por exemplo, existem 60 ciclos completos por segundo.
Em uma rede de 50 Hz, existem 50 ciclos completos por segundo.
E o que o diodo faz com essa senoide?
Agora fica interessante.
Imagine que colocamos um diodo em série com uma carga alimentada por uma tensão senoidal.
Durante um dos semiciclos, o diodo fica:
diretamente polarizado.
Nesse período ele conduz.
Quando a polaridade da tensão se inverte, o diodo passa a ficar:
reversamente polarizado.
Nesse período ele bloqueia a corrente, desconsiderando aqui as pequenas correntes de fuga de um componente real.
O resultado é:
um semiciclo aparece na carga e o outro é bloqueado.
Esse processo é chamado de:
Retificação de meia onda
O diodo transforma corrente alternada em corrente contínua?
Essa pergunta merece cuidado.
Depois do diodo, a tensão sobre uma carga resistiva já não alterna entre valores positivos e negativos da mesma maneira que a senoide original.
Temos pulsos sempre com a mesma polaridade.
Mas isso ainda não é aquela tensão contínua praticamente constante que esperamos, por exemplo, de uma bateria.
O que temos na saída de um retificador de meia onda é uma:
tensão contínua pulsante.
Podemos representar:
CA senoidal
→ diodo
→ retificação de meia onda
→ DC pulsante.
Para obter uma tensão mais suave, normalmente precisamos acrescentar outras etapas.
Por que se chama “meia onda”?
Porque aproveitamos apenas um dos dois semiciclos da senoide.
Imagine:
positivo → passa
negativo → bloqueado
positivo → passa
negativo → bloqueado
e assim sucessivamente.
Se invertermos a orientação do diodo, podemos inverter qual semiciclo aparece sobre a carga.
Portanto, não é necessariamente o semiciclo positivo que precisa passar.
Isso depende da:
orientação do diodo no circuito.
Existe uma queda de tensão no diodo
Até agora tratamos o diodo quase como uma chave ideal.
Um diodo real apresenta uma queda de tensão quando está conduzindo.
Para um diodo de silício convencional, é muito comum utilizarmos didaticamente algo próximo de:
0,7 V
como referência.
Mas esse valor não é uma constante absoluta.
A tensão direta depende do componente, da corrente e da temperatura.
Portanto, se tivermos uma pequena tensão de entrada, essa queda pode ser bastante relevante.
Um exemplo simples
Imagine uma senoide cuja tensão de pico seja:
10 V.
Com um diodo ideal, poderíamos imaginar aproximadamente 10 V de pico sobre a carga durante o semiciclo conduzido.
Com um diodo real de silício, o pico será um pouco menor devido à queda de tensão direta.
De maneira aproximada:
Vp(saída) ≈ Vp(entrada) − Vf(diodo)
Se considerarmos aproximadamente 0,7 V:
10 − 0,7 ≈ 9,3 V.
Isso é uma aproximação, mas ajuda a compreender que o diodo real também provoca uma pequena perda de tensão durante a condução.
Então a tensão cai pela metade?
Não exatamente.
Essa é uma correção importante em relação à forma como expliquei no artigo original.
O texto dizia que, como apenas um semiciclo passa pelo diodo, “somente metade da tensão” conseguiria passar.
O que realmente acontece é:
um dos semiciclos é eliminado.
O valor de pico do semiciclo restante não se torna simplesmente metade do pico original.
O que muda são grandezas como:
valor médio;
valor eficaz (RMS);
potência entregue à carga.
Portanto, dizer simplesmente que o diodo produz “metade da tensão” pode levar a uma interpretação errada.
E o valor RMS?
Aqui aparece uma consequência muito interessante.
Para uma senoide completa ideal com tensão de pico Vp:
Vrms = Vp / √2
Já para uma senoide retificada de meia onda ideal:
Vrms = Vp / 2
Isso significa que a relação entre os valores RMS não é simplesmente aquela que poderíamos imaginar olhando apenas para metade do desenho da senoide.
E o que acontece com a potência?
Para uma carga puramente resistiva:
P = Vrms² / R
Agora observe algo interessante.
Senoide completa:
Vrms = Vp / √2
Então:
P = Vp² / 2R
Na meia onda:
Vrms = Vp / 2
Então:
P = Vp² / 4R
Portanto, para uma carga puramente resistiva ideal, a potência média na meia onda é:
metade da potência da senoide completa.
É daí que vem a ideia utilizada no projeto original com uma lâmpada incandescente.
Mas agora conseguimos explicar corretamente o motivo.
Não é porque:
“a tensão caiu pela metade”.
É porque alteramos a forma de onda e, consequentemente, seu valor RMS.
O exemplo da lâmpada incandescente
No artigo original mostrei um circuito bastante simples utilizando:
um interruptor + um diodo + uma lâmpada incandescente.
A ideia era utilizar o diodo para criar um controle extremamente simples de dois níveis de potência.
Em uma das posições, a lâmpada recebe a senoide completa.
Na outra condição, o diodo permite apenas um dos semiciclos.
Com isso, reduzimos a potência média entregue a uma carga aproximadamente resistiva como a lâmpada incandescente.
Mas atenção: isso não vale para qualquer lâmpada
O artigo original já fazia um alerta importante:
não utilizar essa ideia indiscriminadamente com lâmpadas eletrônicas.
E hoje eu ampliaria bastante esse aviso.
Uma lâmpada LED moderna, por exemplo, normalmente possui internamente um circuito eletrônico de alimentação.
Portanto, ela não deve ser tratada simplesmente como uma resistência.
O comportamento com alimentação em meia onda dependerá do circuito interno e o fabricante pode não prever esse tipo de operação.
Assim, não devemos concluir:
“funcionou com uma lâmpada incandescente, então funcionará com qualquer aparelho”.
Não funcionará necessariamente.
Uma carga resistiva é diferente de uma carga eletrônica
Uma resistência de aquecimento ou uma antiga lâmpada incandescente possui comportamento muito diferente de equipamentos contendo:
fontes chaveadas;
motores;
capacitores;
transformadores;
circuitos eletrônicos.
Por isso, o efeito da meia onda precisa ser analisado de acordo com:
a carga conectada.
O diodo não é um “redutor universal de potência”.
E o ferro de soldar?
No artigo original também sugeri essa técnica para obter dois níveis de potência em determinados ferros de soldar resistivos, especialmente modelos de potência mais elevada.
O princípio é semelhante ao da lâmpada incandescente quando o elemento de aquecimento se comporta essencialmente como uma carga resistiva.
Mas novamente existe uma ressalva importante:
isso não deve ser generalizado para estações de solda ou ferros que possuam controle eletrônico interno.
Esses equipamentos precisam receber a alimentação prevista pelo fabricante.
O diodo precisa suportar a corrente
Não podemos escolher qualquer diodo apenas porque ele:
“deixa a corrente passar em um sentido”.
Todo diodo possui limites.
Um deles é a:
corrente máxima.
Se a carga exigir uma corrente superior àquela que o diodo consegue suportar, o componente poderá aquecer excessivamente e falhar.
Portanto, precisamos conhecer a corrente da carga.
O diodo também precisa suportar a tensão reversa
Durante o semiciclo no qual o diodo está bloqueado, ele fica submetido a uma tensão reversa.
E existe um limite para isso.
Por essa razão, outra especificação fundamental é a:
tensão reversa máxima suportada pelo diodo.
Se ultrapassarmos esse limite, podemos provocar ruptura e destruir o componente.
Isso é particularmente importante quando trabalhamos com tensões elevadas.
127 V RMS não significa 127 V de pico
Esse conceito é muito importante para quem começa a trabalhar com corrente alternada.
Quando dizemos que uma tomada possui:
127 V CA,
normalmente estamos falando do seu valor:
RMS.
Para uma senoide ideal:
Vp = Vrms × √2
Assim:
127 × 1,414 ≈ 180 V de pico.
Para 230 V RMS:
230 × 1,414 ≈ 325 V de pico.
Portanto, componentes ligados à rede precisam ser dimensionados considerando as tensões efetivamente presentes no circuito, e não apenas o número escrito como tensão nominal da rede.
Um diodo pode ser o começo de uma fonte de alimentação
A retificação de meia onda também nos ajuda a entender como podemos transformar corrente alternada em corrente contínua.
Começamos com:
tensão alternada
↓
retificação
↓
tensão pulsante.
Depois podemos acrescentar um:
capacitor de filtragem.
Ele armazena energia próximo dos picos e fornece parte dessa energia à carga enquanto a tensão retificada diminui.
O resultado é uma tensão menos pulsante.
Mas existe uma solução melhor: a retificação de onda completa
Se um único diodo aproveita apenas um semiciclo, podemos construir um circuito capaz de aproveitar:
os dois semiciclos.
Uma das configurações mais conhecidas utiliza:
quatro diodos
formando uma:
ponte retificadora.
Nesse circuito, tanto o semiciclo positivo quanto o negativo da entrada contribuem para produzir corrente na mesma direção através da carga.
Temos então:
retificação de onda completa.
Meia onda versus onda completa
Podemos resumir:
Meia onda
Utiliza apenas um dos semiciclos.
Onda completa
Aproveita os dois semiciclos.
Para fontes de alimentação, a retificação de onda completa costuma apresentar vantagens importantes, inclusive por produzir pulsos com maior frequência na saída retificada, facilitando a filtragem.
Em uma rede de 50 Hz, por exemplo:
meia onda → pulsos a 50 Hz
onda completa → pulsos a 100 Hz.
Em 60 Hz:
meia onda → 60 Hz
onda completa → 120 Hz.
É daqui que começamos a entender uma fonte DC
Veja como os conceitos vão se conectando.
Podemos partir de:
corrente alternada
↓
transformador, quando aplicável
↓
diodos retificadores
↓
capacitor de filtragem
↓
regulação, quando necessária
↓
corrente contínua para o circuito.
Ou seja, compreender o comportamento de um único diodo em uma senoide é um dos primeiros passos para compreender fontes de alimentação.
Cuidado com experiências diretamente na tomada
O circuito original mostra uma aplicação utilizando tensão da rede.
Aqui eu acrescentaria hoje um alerta muito mais forte:
não recomendo que iniciantes realizem esse experimento diretamente na rede elétrica.
Tensões de rede podem causar choque grave ou fatal.
Além disso, simplesmente desligar um interruptor não significa necessariamente que todos os pontos de um circuito estejam seguros para serem tocados.
Para aprender o princípio da retificação, é muito mais seguro utilizar:
uma fonte CA isolada de baixa tensão, adequada para experimentação.
Por exemplo, podemos observar uma senoide de baixa tensão passando por um diodo sem precisar trabalhar diretamente com a rede elétrica.
O fenômeno eletrônico que queremos estudar é o mesmo.
O osciloscópio deixa tudo muito claro
Se tivermos acesso a um osciloscópio e a uma montagem segura e isolada, conseguimos visualizar perfeitamente o fenômeno.
Antes do diodo:
senoide completa.
Depois do diodo:
apenas um conjunto de semiciclos.
Depois de acrescentar filtragem:
uma tensão com menor ondulação.
É uma excelente experiência para entender a diferença entre:
CA, DC pulsante e DC filtrada.
Um componente simples que permite entender muita coisa
Um único diodo em corrente alternada nos permite estudar:
polarização direta;
polarização reversa;
senoide;
tensão de pico;
tensão RMS;
retificação;
potência;
filtragem;
fontes de alimentação.
Por isso esse circuito aparentemente simples é tão importante para quem está aprendendo eletrônica.
Resumindo o funcionamento
Quando ligamos um diodo em série com uma fonte de corrente alternada e uma carga:
1. Em um semiciclo, o diodo fica diretamente polarizado e conduz.
2. No semiciclo seguinte, fica reversamente polarizado e bloqueia.
3. A carga recebe apenas um dos semiciclos da senoide.
4. O resultado é uma tensão retificada de meia onda.
5. A forma de onda resultante possui valores médio e RMS diferentes da senoide original.
6. Com outros componentes, essa tensão pulsante pode ser filtrada e utilizada na construção de uma fonte DC.
É assim que um componente com apenas dois terminais consegue transformar completamente a forma de onda presente em um circuito.
Quer aprender mais sobre diodos e eletrônica aplicada ao áudio?
O diodo aparece em inúmeros circuitos: fontes de alimentação, proteção, retificação, limitação de sinais e diversos projetos eletrônicos.
E entender por que ele funciona é muito mais útil do que simplesmente decorar a direção em que deve ser instalado.
A proposta é sair do:
“ligue esse componente aqui”
para chegar ao:
“eu entendo o que está acontecendo com a tensão e a corrente nesse circuito”
Para continuar explorando gratuitamente conteúdos sobre diodos, semicondutores, grandezas elétricas e outros componentes, visite também a área de Fundamentos e Componentes Eletrônicos.