Queda de Tensão do Díodo: Valores, Fórmula e Como Medir

Todos os díodos perdem alguma tensão quando conduzem. Essa perda é a queda de tensão do díodo, e determina quanta tensão chega à sua carga, quanto calor o componente gera e se a sua linha de baixa tensão ainda funciona.

Este guia aborda a tensão direta típica por tipo, a fórmula subjacente, o que a altera, como medi-la com um multímetro e porque é importante em circuitos reais.

O que é a queda de tensão de um díodo?

A queda de tensão de um díodo é a tensão direta (Vf) que aparece nos terminais de um díodo quando a corrente flui do ânodo para o cátodo. Também é designada por queda de tensão direta ou tensão direta (Vf).

A tensão direta (Vf) é a tensão medida nos terminais de um díodo enquanto este conduz em polarização direta. A corrente entra pelo ânodo e sai pelo cátodo. À medida que o díodo conduz, desenvolve-se uma tensão direta na junção. O valor exato depende da corrente, da temperatura e da construção do díodo.

Um díodo ideal tem uma queda de 0 V e comporta-se como um interruptor perfeito. Um díodo real perde sempre alguma tensão porque a sua junção semicondutora necessita de um potencial mínimo para conduzir. Essa tensão perdida transforma-se em calor e nunca chega à carga. Ao projetar uma placa de circuito, verificar o símbolo de díodo padrão e a orientação garante que as condições de polarização direta são corretamente estabelecidas.

Figura: Díodo em polarização direta ligado a uma bateria e a uma resistência, mostrando uma queda de tensão de 0,7 V no díodo e a tensão restante na resistência de carga.

Tabela de queda de tensão de díodos por tipo

A tensão direta depende do material semicondutor e, no caso dos LEDs, da cor emitida. Utilize esta tabela como referência rápida e confirme depois com a folha de dados do componente.

Erros comuns sobre a queda de tensão de díodos

• Assumir que todos os díodos têm uma queda de 0,7 V
• Ignorar os efeitos da temperatura
• Utilizar a tensão direta do LED como um valor fixo
• Projetar com base em valores típicos em vez de valores da folha de dados

#1 Queda de tensão do díodo de silício

O silício é o padrão. A maioria dos díodos de silício opera em torno de 0,6–0,8 V. Os engenheiros arredondam para uma queda de 0,7 V, com os retificadores de potência a apresentarem valores mais elevados à sua corrente nominal.

• 1N4148 (sinal): ~0,7 V
• 1N4007 (retificador): até ~1,1 V a 1 A

#2 Queda de tensão do díodo Schottky

Um díodo Schottky utiliza uma junção metal-semicondutor em vez de uma junção PN. Resultado: tensão direta mais baixa, maior eficiência, comutação mais rápida. Contrapartida: maior corrente de fuga inversa.

Exemplos de dispositivos: 1N5817, 1N5819, SS14 (todos facilmente obtidos através da Página de Produtos de Peças da JLCPCB). Tensão direta tipicamente 0,15-0,45 V.

#3 Queda de tensão do díodo de germânio

O germânio tem uma queda de cerca de 0,3 V. Utilizado para deteção de sinal e circuitos clássicos de rádio de cristal. Exemplo: 1N34A.

#4 Queda de tensão do LED

Um LED é um díodo que perde muito mais tensão do que o silício, e o valor acompanha a cor. Consulte a tabela acima para as tensões diretas típicas dos LEDs, desde o vermelho perto de 2 V até ao branco perto de 3,3 V.

#5 Queda de tensão do díodo Zener

Em modo direto, um Zener comporta-se como um díodo de silício normal, cerca de 0,7 V. O seu propósito é o modo inverso, onde conduz a uma tensão de rutura fixa (Vz). Não confunda a Vf direta com a classificação Vz inversa. Tal como ao escolher entre um BJT e um MOSFET, a escolha do modo de funcionamento correto depende das suas necessidades de potência e comutação.

#6 Queda de tensão do díodo de recuperação rápida

Estes díodos apresentam uma tensão direta semelhante à do silício padrão, mas são otimizados para a velocidade de comutação, o que os torna comuns em fontes de alimentação comutadas e retificadores de alta frequência.

Figura: Comparação das quedas de tensão direta de germânio, Schottky, silício, retificador e LED.

Porque é que os díodos têm uma queda de tensão?

A barreira da junção PN

Onde o silício tipo P e tipo N se encontram, as cargas difundem-se e deixam uma região de depletion com um campo elétrico incorporado. Esse campo é uma barreira de potencial. A corrente não pode fluir até a tensão aplicada a superar.

Porque é que o silício é chamado de díodo de 0,7 V

0,7 V é a tensão que supera a barreira de uma junção de silício em condições típicas. É um atalho de engenharia, não uma constante fixa. A Vf real depende da corrente e da temperatura.

Porque é que a tensão direta (Vf) não é fixa

A curva I-V do díodo é exponencial, não um interruptor abrupto. Uma pequena corrente flui abaixo de 0,7 V, e não existe um limiar rígido de ligar/desligar. A Vf também varia com a corrente, abordado na secção seguinte.

Fatores que afetam a queda de tensão do díodo

#1 Corrente do díodo

Mais corrente direta significa maior Vf. O aumento é gradual porque a relação é logarítmica, mas é real: um díodo a 5 A tem uma queda maior do que o mesmo díodo a 5 mA.

Figura: Curva I-V de um díodo de silício, mostrando o aumento da tensão direta à medida que a corrente aumenta.

#2 Temperatura do díodo

A Vf do silício cai cerca de -2 mV/°C. Um díodo mais quente tem uma queda de tensão menor. Isto é importante para a estabilidade térmica: à medida que um díodo aquece, a sua Vf diminui, deixando passar mais corrente, o que o aquece ainda mais. Em circuitos de alta corrente, este efeito pode contribuir para a fuga térmica se a corrente não for devidamente limitada.

Garantir perfis térmicos adequados durante o processo de soldadura por refusão é vital para proteger as junções PN sensíveis de danos por calor excessivo.

#3 Material semicondutor

• Silício: ~0,7 V
• Germânio: ~0,3 V
• Schottky: 0,15–0,45 V

#4 Estrutura do dispositivo

• Díodos de sinal: junções pequenas, corrente moderada
• Retificadores de potência: junções maiores, funcionam a alta corrente
• Dispositivos de alta corrente: a Vf aumenta a plena carga

Os retificadores de potência maiores apresentam frequentemente uma tensão direta mais elevada à sua corrente nominal, devido aos níveis de corrente de funcionamento mais elevados e à construção do dispositivo.

Como calcular a queda de tensão de um díodo

Método 1: Aproximação rápida de engenharia

Para cálculos manuais rápidos, assuma uma queda fixa e subtraia-a à alimentação.

Exemplo: uma linha de 5 V através de um díodo de silício deixa 5 V - 0,7 V = 4,3 V para a carga.

Método 2: Utilizar a equação de Shockley do díodo

Para um comportamento exato, utilize a equação de Shockley do díodo:

• Is: corrente de saturação inversa
• n: fator de idealidade, 1 a 2 para díodos reais
• VT: tensão térmica, ≈25,85 mV a 25 °C
• VD: tensão nos terminais do díodo

A equação mostra a corrente a aumentar exponencialmente com a tensão. Para a maioria do trabalho de projeto, a aproximação fixa ou a curva da folha de dados é suficiente.

Método 3: Utilizar as curvas da folha de dados do díodo

O valor mais preciso vem da folha de dados do componente.

1. Identifique o díodo
2. Encontre a sua folha de dados
3. Localize o gráfico Vf vs If
4. Leia a Vf à sua corrente de funcionamento
5. Ajuste para a temperatura

Figura: Gráfico de corrente direta versus tensão direta de uma folha de dados de díodo, mostrando como determinar a Vf de funcionamento.

Estudo de caso: valores de folha de dados do 1N4007 vs. 1N5819

Componentes reais fornecem números concretos em vez de aproximações arredondadas:

• 1N4007: Vf = 1,1 V a If = 1 A
• 1N5819: Vf ≈ 0,45 V a If = 1 A

Especificações de tensão direta em torno de 1,1 V a 1 A são comuns nas folhas de dados do 1N4007. Mesma corrente, queda muito diferente, porque o 1N5819 é um Schottky.

Como medir a queda de tensão de um díodo com um multímetro

1. Desligue a alimentação
2. Descarregue os condensadores
3. Coloque o medidor no modo de díodo
4. Ligue a ponta de prova vermelha ao ânodo
5. Ligue a ponta de prova preta ao cátodo
6. Leia a Vf apresentada
7. Inverta as pontas de prova para verificar OL (open line)

O modo de teste de díodo aplica uma pequena corrente de teste, tipicamente na gama dos microamperes a miliamperes, dependendo do medidor, pelo que as leituras ficam abaixo dos 0,7 V nominais. Um díodo saudável apresenta um valor direto num sentido e OL quando invertido. A mesma leitura em ambos os sentidos significa um díodo em curto-circuito.

Figura: Multímetro digital em modo de teste de díodo a medir um díodo de silício com as pontas de prova ligadas em polarização direta.

Porque é que a queda de tensão do díodo é importante no projeto de circuitos

Dissipação de potência do díodo

Todo o díodo em condução dissipa potência sob a forma de calor:

P = Vf * If

A correntes mais elevadas, o calor obriga a um dissipador ou a um componente com Vf mais baixa.

Eficiência do díodo retificador

• Meia onda: uma queda de díodo
• Onda completa (tomada central): uma queda no percurso
• Ponte: duas quedas no percurso de condução

Um retificador em ponte introduz tipicamente duas quedas de díodo no percurso de condução, o que prejudica a eficiência em fontes de baixa tensão.

Figura: Circuito retificador em ponte a mostrar a corrente a fluir através de dois díodos em condução e a perda de tensão direta resultante.

Queda de tensão do díodo na proteção contra inversão de polaridade

Uma queda mais baixa significa menos tensão desperdiçada e menos calor no percurso de proteção.

Díodo em eletrónica de baixa tensão

A queda do díodo prejudica mais onde a alimentação é pequena:

• Sistemas de 3,3 V
• Dispositivos alimentados por bateria
• Nós IoT
• Circuitos alimentados por USB

Numa linha de 3,3 V, uma queda de silício de 0,7 V desperdiça mais de um quinto da alimentação. Um Schottky ou um MOSFET de díodo ideal recupera a maior parte. Fazer estas seleções durante as considerações iniciais de PCBA vs projeto de PCB evita quedas de tensão e problemas de layout mais adiante.

Perguntas frequentes sobre a queda de tensão de díodos

Conclusão

A queda de tensão de um díodo é a tensão direta que um díodo perde enquanto conduz, e varia consoante a tecnologia: o silício perto de 0,7 V, o Schottky muito mais baixo, os LEDs muito mais alto. A corrente, a temperatura e a construção do dispositivo alteram o valor, pelo que as curvas da folha de dados fornecem o número mais preciso. Medir a Vf com um multímetro no modo de díodo é uma verificação rápida e fiável para diagnóstico e seleção de componentes.