Generalidades sobre o diodo retificador 1N4007
O diodo 1N4007 é um retificador de silício fabricado pelo processo de difusão de junção. Retificar, no bom português, significa "tornar reto" no sentido de "corrigir". Em eletrônica ficamos com o sentido de tornar reto. Um circuito retificador é qualquer dispositivo eletrônico que transforme uma corrente alternada em contínua.
O diodo é um dispositivo eletrônico que deixa passar a corrente em apenas um sentido: do anodo ao catodo. Quando o potencial no anodo é mais alto que no catodo, o diodo conduz corrente. Se o potencial no anodo for menor que no catodo, o diodo entra em bloqueio e não conduz mais corrente.
Existe um pedágio a se pagar pelo serviço do diodo. Quando o diodo 1N4007, ou outro diodo de silício de junção, está conduzindo, ocorre uma perda de tensão de aproximadamente 0,7V no início da condução, podendo atingir um pico de 1V. Essa perda de tensão corresponde a uma parcela da energia que é transformada em calor na junção.
É importante ressaltar que um diodo retificador, como o 1N4007, irá converter a corrente alternada em uma corrente contínua pulsante. Para se obter uma corrente contínua verdadeira, essa corrente pulsante precisa ser filtrada com o uso de capacitores e indutores apropriados. Tais filtros fogem do escopo deste artigo e serão tratados oportunamente.
Na tomada de força de casa há uma tensão de corrente alternada. Isso significa que a tensão não é constante entre os dois polos da tomada, mas oscila entre valores positivos e negativos várias vezes por segundo. Assumido que em um dado momento a tensão tenha um valor positivo máximo, ela irá cair gradativamente a zero e então se tornará negativa neste mesmo valor. Após atingir o valor negativo máximo, começa a retornar a zero e tornar-se positiva novamente No caso do Brasil, a frequência com esse processo se repete é de 60Hz, ou seja, há 60 vezes por segundo. Outros países adotam frequências diferentes, como 50Hz na Europa.
O diodo 1N4007 apresenta alta capacidade de corrente, baixa queda de tensão em serviço, aceita picos de corrente de até 30A e baixa fuga em polarização reversa. Essas características fazem do diodo 1N4007 a escolha padrão em retificadores de media potência.
Com o barateamento do processo de fabricação, os diodos 1N4001 1N4002 1N4003 1N4004 1N4005 e 1N4006 deixaram de ser produzidos em larga escala e hoje apenas o 1N4007 é usado como retificador padrão. A diferença entre o diodo 1N4007 está na tensão reversa admissível. Para o 1N4007 é de 1000V, para o 1N4006 é de 800V e assim por diante, de acordo com a tabela do fabricante. Dessa forma, em circuitos de retificação, o diodo 1N4007 pode ser usado no lugar dos demais da família com vantagem.
O diodo 1N4007 aceita picos de corrente de até 30A, com duração máxima de 8,3ms, o que permite seu uso em retificadores com grandes capacitores de filtro sem maiores cuidados. Em retificadores abastecidos diretamente pela rede de energia com capacitores de porte, é necessário verificar se a corrente de pico máxima do diodo 1N4007 é respeitada no instante de início de operação.
Diodos de silício como o 1N4007 não são substitutos diretos de retificadores a vácuo como a válvula 5Y3GT ou a válvula 5U4GB. Ao modificar um circuito que antes usava um retificador a vácuo, deve-se usar um circuito com resistores que aproxime a curva do diodo 1N4007 daquela do retificador a vácuo substituído.
Para mais detalhes, veja a ficha técnica do diodo 1N4007
Ficha técnica do diodo 1N4007
Topologia dos retificadores
Retificadores de meia-onda
O retificador de meia-onda é o tipo mais simples possível. Usa apenas um diodo, tem algumas vantagens e uma porção de desvantagens. O circuito básico é ilustrado abaixo e sua simplicidade fica evidente.
A vantagem que se pode citar deste circuito é o uso de poucos componentes. Apenas um diodo e nada mais. Funciona, mas a qualidade do serviço fica muito comprometida.
A principal desvantagem é justamente o uso de apenas um semiciclo da tensão fornecida. Retificadores de meia-onda criam ruído na rede de força e prejudicam a eficiência do serviço de distribuição como um todo. A frequência dos pulsos gerados é a mesma da rede, tornando a filtragem mais complicada.
Sua principal utilização atualmente é em fontes chaveadas tipo flyback. Neste tipo de fonte, existe apenas um semiciclo para ser retificado, dispensado algo mais sofisticado que apenas um diodo.
Retificadores de onda completa
Ponte retificadora
A ponte retificadora é uma forma de se conseguir aproveitar os dois semiciclos da tensão usando um transformador simples. São necessários quatro diodos para executar a proeza. O circuito abaixo mostra a disposição dos componentes. Durante o semi-ciclo positivo, os diodos mais externos conduzem, enquanto os internos bloqueiam a corrente devido à polarização reversa. No semi-ciclo negativo, os diodos externos ficam bloqueados enquanto os internos conduzem.
Este circuito tem uma vantagem óbvia em relação ao retificador de meia-onda, por aproveitar os dois semiciclos da rede. Também há um certo grau de isolamento dos estágios anteriores pela ponte, permitindo seu uso em conexões diretas na rede com relativa segurança. A esmagadora maioria dos equipamentos eletrônicos hoje no mercado usam fontes chaveadas. O primeiro estágio de uma fonte chaveada é uma ponte retificadora conectada diretamente à rede! Existem, entretanto, outros estágios após este para garantir maior isolamento.
Outra vantagem deste circuito é que a corrente pulsante obtida tem o dobro da frequência da rede. Por isso a filtragem torna-se mais fácil, exigindo capacitores e indutores menores.
A desvantagem da ponte aparece na queda de tensão no retificador. Cada vez que a corrente atravessa um diodo, ocorre uma queda de tensão. Nos retificadores de silício, como o diodo 1N4007, esta queda é de aproximadamente 0,7V. Para o caso da ponte, cada semiciclo irá atravessar dois diodos, dando uma queda de 1,4V. Na maior parte das aplicações essa queda não é um problema, sendo preocupante apenas quando se trata de tensões abaixo de 10V.
Transformador com tomada central
Nesta modalidade, um transformador é usado para inverter um dos semiciclos para que possa ser retificado em serviço de meia onda. Assim, com dois retificadores de meia-onda operando defasados, obtém-se uma retificação de onda completa. Durante o semi-ciclo positivo, D1 conduz, enquanto D2 bloqueia. Já no semiciclo negativo, D2 conduz e D1 bloqueia.
Neste circuito o problema da queda de tensão no diodo fica minimizado. Existe também uma economia de componentes, já que apenas dois diodos fazem todo o serviço. É a opção de escolha quando a queda de tensão no diodo representa uma proporção grande da tensão retificada. Em uma fonte para 300V, perder 1,4V em uma ponte retificadora não é tão relevante, mas em uma fonte de 5V, como as usadas para carregar telefones celulares, perder 1,4V é um desperdício.
Novamente a frequência da corrente pulsante é o dobro da encontrada na rede, facilitando a filtragem.
Uma desvantagem deste circuito em relação aos anteriores é a exigência de um transformador com tomada central. Estes transformadores costumam ser um pouco mais caros que os de enrolamento simples.
Ruído de chaveamento
Quando o diodo 1N4007 está conduzindo e a corrente se inverte, leva aproximadamente 500ns para começar a entrar em estado de bloqueio e termina em 3us, que é o seu tempo de chaveamento. Isso quer dizer que, uma vez invertida a corrente, o 1N4007 continuará conduzindo por 0,000003s. Parece um tempo muito pequeno, e é para aplicações de retificação a 60Hz, onde o ciclo dura 0,016s. No entanto para aplicações em alta frequência, o diodo 1N4007 torna-se inviável. Um estudo bem detalhado do tempo de chaveamento pode ser visto neste artigo.
Outro problema é que o chaveamento causa um ruído característico que pode ser ouvido em um sistema de som. No osciloscópio, este ruído se manifesta como uma série de linhas verticais ao longo da oscilação residual do filtro capacitivo, como ilustrado abaixo na imagem cedida por Xprojetos.
Este problema pode ser sanado colocando um capacitor de poliéster, de 100nF, em paralelo com o capacitor eletrolítico principal da fonte ou optando-se por um diodo mais rápido, como o diodo UF4007, UF1007 ou UF1010.