ToyOS: Noções de eletrônica

Uma das tarefas do desenvolvedor de OSs é interpretar e implementar especificações relativas ao hardware como: Controladoras de teclado, disco, USB, Vídeo, memória, timers etc. Sem o conhecimento mínimo sobre eletrônica isso torna-se uma tarefa muito penosa. Nessa série de artigos eu pretendo oferecer noções fundamentais sobre eletrônica “analógica” e “digital” que podem te ajudar a entender melhor como o hardware de seu computador funciona.

Estou assumindo que o leitor tenha conhecimentos sobre eletricidade: O que é tensão, corrente, resistência elétrica. O que são e como funciona associações de resistores. O que é e como funciona um capacitor e um indutor… Tudo isso é assumido como conhecido. O ponto inicial dos textos será o funcionamento de elementos semicondutores, onde se baseia a “eletrônica de estado sólido”: Diodos, transistores bipolares de junção, FETs… Outra coisa importante é a interpretação de diagramas de tempo e o entendimento dos intervalos, mínimos e máximos, que os circuitos exigem para um determinado sinal.

O primeiro componente: Diodos de junção

Um diodo é um componente com dois terminais. Um chamado “Anodo” e outro “Catodo”. Os termos foram obviamente adotados da química, onde, considerando a corrente convencional, a corrente elétrica fluirá do anodo para o catodo, mas não o contrário. Ou seja, um diodo é um “condutor” de mão única. Eis o símbolo:

Símbolo do diodo
Símbolo do diodo

Parece simples, huh? Mas, é claro que eu vou colocar algumas complicações aqui!

Diferente do que você pode pensar, um diodo não funciona como se fosse um curto circuito unidirecional. Ele funciona como um resistor “polarizado”. Isso quer dizer que, se a tensão entre A e K for positiva (V_{AK} > 0), o diodo apresentará uma resistência elétrica baixa. Mas, se V_{AK} \leqslant 0, a resistẽcnia elétrica tende ao infinito, ou seja, não circulará corrente de maneira alguma. E, como se não bastasse isso, para que o diodo comece a conduzir, a tensão V_{AK} tem que chegar a, aproximadamente, 0,6 V (nos diodos “de junção” PN com base em silício – existem outros, mas esses são os mais comuns).

Para entender essas regras é conveniente observar a “curva característica” de um diodo desse tipo:

Curva característica de um diodo
Curva característica de um diodo

Onde v é a tensão V_{AK} e i é a corrente I_{AK}. Repare que até que V_{AK} seja igual à tensão de joelho (o gráfico assume 0,7 V, mas está amis para 0,65!), a corrente i é zero! À partir dessa tensão o diodo funciona como um resistor com baixa resitência (i cresce, de forma linear, com uma inclinação quase que de 90°!).

Se v for negativa, ou seja, se V_{AK} \leqslant 0, a corrente permanecerá zerada, até que a tensão seja muito alta, onde alguma corrente “de fuga” aparecerá. Se a “tensão reversa” for muito alta, ocorrerá uma “ruptura” que, possivelemente, danificará o diodo permanentemente… Alguns tipos diferentes de diodos são feitos para trabalhar nessa região reversa (chamam-se diodos “Zener”), mas não lidarei com eles aqui.

Na prática, se o diodo está conduzindo, a tensão em seus terminais ficará em torno dos 0,6 ~ 0,7 V. Qualquer valor menor que isso e ele é como um cirtuito aberto.

Porque do nome “diodo de junção”?

Por que ele é construindo “juntando” dois cristais semicondutores, através de algum processo químico que os “soldará”. Ambos os cristais podem ser compostos do mesmo material básico (Silício, por exemplo), mas têm características químicas um pouco diferentes.

Todo material é eletricamente estável a não ser que seja feito para não sê-lo (como baterias e pilhas, por exemplo). Isso quer dizer que a quantidade de cargas não “escapa” ou “entra” facilmente nesses materiais… Por exemplo, um fio têm cargas livres que só são colocadas em fluxo através da aplicação de uma diferença de potencial nos dois extremos. A tensão, neste caso, reordena e coloca as cargas em movimento… O fio torna-se “carregado”.

Num diodo, um dos cristais é construído com um excesso de cargas negativas. O outro cristal é criado com excesso de “cargas” positivas. Não são bem cargas positivas, mas deficiência de cargas negativas ou “lacunas”… O cristal com excesso de cargas negativas recebe o nome de N e o outro de P.

Ao juntar os dois cristais temos uma junção PN, onde o cristal P está no anodo e o N no catodo. Ao aplicar uma tensão V_{AK} é como se o potencial no anodo “empurrasse” as lacunas (“puxando” os elétrons) do cristal P para a junção e, ao mesmo tempo, atraísse as cargas negativas do cristal N para perto da junção:

Polarização direta e reversa
Polarização direta e reversa

Na polarização direta, como as lacunas, no cristal P, estão mais pertinhos das cargas negativas, no cristal N, fica fácil de uma carga negativa “pular” do N para o P (corrente no sentido real), mas, como os cristais são eletricamente estáveis, uma carga negativa sai do cristal P em direção ao polo positivo da bateria ε. Da mesma forma, uma carga negativa sai do polo negativo da bateria e entra no cristal N, reequilibrando-o. E, com isso, há circulação de corrente elétrica.

A diferença de potencial de 0,6 V é a tensão suficiente para “juntar” as “cargas livres” dos cristais… Mas, note, se a polarização é reversa, jamais teremos cargas livres suficientemente perto da junção e, com isso, não há circulação de corrente!

Essa “junção” é chamada de “barreira” e a tensão de condução do diodo é chamada de “potencial de barreira” ou “barreira de potencial”, na literatura.

Cenas do próximo capítulo:

Falarei sobre transistores!

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