esp 4
annuncio pubblicitario
Esperienza n 4: DIODO Esperienza n 4: DIODO Il diodo è il bipolo non lineare costituito da una giunzione di due cristalli semiconduttori. La fig.1 rappresenta una giunzione e lo schema elettrico relativo. p n anodo catodo DIODO Fig. 1 Rappresentazione del Diodo Il materiale base dei diodi è Silicio, Germanio ed Arseniuro di Gallio. Questi atomi hanno 4 elettroni nell’orbita più esterna e cristallizzando si dispongono in una struttura tetraedrica. Questa struttura è tale che ogni atomo componente il cristallo “ vede” altri quattro atomi e ciascuno di questi condividendo un elettrone si comportano come se avessero nell’ultima orbita un ottetto di elettroni. Il cristallo si dice allora intrinseco ed è un materiale isolante, cioè anche per tensioni applicate al cristallo elevate, non si ha passaggio di corrente apprezzabile. Per esempio se si dispone di un cristallo lungo 4 mm con base quadrata di 0.1 mm2 per avere una corrente di 1A è necessario applicare una tensione di un migliaio di volt e questa corrente è dovuta alla rottura dei legami covalenti per agitazione termica. L’energia necessaria per rompere un legame covalente, cioè per avere un elettrone libero, è di 1.1 eV per il silicio. Inserendo nel cristallo piccole quantità di atomi aventi 5 elettroni nell’ultima orbita (una parte per milione), è disponibile un elettrone in più per chiudere l’ottetto e questo con l’energia termica sarà quasi libero muoversi nel cristallo. Una piccola tensione (decine di mV ) o un’energia di 0.05 eV sono sufficienti per avere un passaggio di corrente elettrica. Il materiale è diventato un semiconduttore. Analogamente se il cristallo è drogato con atomi aventi 3 elettroni nell’ultima orbita si avrà una mancanza di un elettrone per completare l’ottetto cioè si avrà una lacuna o buco di carica che si sposta nel cristallo. Un cristallo di silicio e germanio drogato con atomi pentavalenti è chiamato semiconduttore di tipo n, mentre se drogato con atomi trivalenti è di tipo p. Un diodo è “idealmente “ costituito da un cristallo di tipo p ed uno di tipo n uniti assieme a formare una giunzione. Da ricordare che il processo costruttivo di una giunzione non è quello di unire due cristalli già drogati. I due cristalli n e p sono elettricamente neutri, ma formando la giunzione gli elettroni in eccesso dovuto agli atomi pentavalenti diffondono nel cristallo p e le lacune o buchi diffondono da p ad n. Questo processo rapidissimo si ferma quando si crea fra due cristalli un campo elettrico da opporsi ad un ulteriore diffusione. Si è stabilita cioè una differenza di potenziale fra i due cristalli. Questa tensione però non deve trarre in inganno: la giunzione non è diventata un generatore, andrebbe contro alle leggi della termodinamica. Infatti se fosse possibile utilizzare un diodo come generatore, sarebbe necessario collegare fili elettrici ai cristalli n e p, costruendo quindi altre due giunzioni: metallo – cristallo p e metallo – cristallo n che generano altre differenze di potenziale che annullano gli effetti della 1 Esperienza n 4: DIODO 2 giunzione n - p. Invece non va contro i principi termodinamici se i due cristalli, tipo n e p si trovano a temperature diverse. In questo caso il diodo funziona da generatore (effetto Seebek) e il fenomeno è reversibile: facendo passare corrente nella giunzione una parte si riscalda e l’altra di raffredda (effetto Peltier). Si è detto che a causa della diffusione delle cariche si genera un campo elettrico che si oppone ad una ulteriore diffusione, ma se dall’esterno si cerca con un generatore di tensione di annullare o ridurre questo campo, allora si ha un passaggio di corrente nel diodo. Invertendo la polarità del generatore si aumenta il campo elettrico e non si ha passaggio di corrente. Il diodo è quindi un bipolo che ha un comportamento diverso per polarità delle tensioni applicate. La fig. 2a rappresenta un diodo in conduzione diretta, mentre in fig. 2b un diodo polarizzato inversamente. La corrente Id può essere di molti ordini di grandezza più grande di Is. p Id n p + n Is + Vd giunzione polarizzata Vd giunzione polarizzata direttamente inversamente Fig. 2a Fig. 2b Caratteristica del diodo Per ricavare la caratteristica di un diodo Id = f( Vd ) si può usare lo schema elettrico di fig. 3 dove la resistenza R limita la corrente che può passare nel diodo, che nel caso di diodi usati in elettronica (non di potenza, ma di segnale) è di alcune decine di mA per cui, disponendo di un generatore di tensione continua di 20 V, la resistenza può essere compresa fra 0.5 e 5 k 1k I Iv Id D1 20 V 100 mA mA Vin DIODE V R Vd Fig. 3 Circuito usato per ricavare le caratteristiche del diodo Per ricavare la caratteristica del diodo è necessario variare la tensione Vin e costruire il grafico Id = f( Vd ). E’ consigliabile usare un voltmetro digitale la cui resistenza interna è 10 M per non commettere un errore sistematico grande, infatti la corrente letta dal milliamperometro passa, oltre che nel diodo anche nel voltmetro: I = Id + Iv Se Iv è trascurabile allora I = Id Si chiede di valutare se questa ipotesi è vera considerando l’errore degli strumenti e l’errore sistematico commesso. Avendo ricavato sperimentalmente la caratteristica del diodo al silicio e quella di un diodo led (diodo che polarizzato in conduzione diretta emette luce) confrontarla con la curva teorica: Esperienza n 4: DIODO Vd VT 3 kT 26mV (per T = 300 Kelvin) e e = carica dell’elettrone k = costante di Boltzmann T = temperatura assoluta Dai dati sperimentali si può ricavare che per diodi al silicio vale circa 2, per poi diminuire ad alte correnti di conduzione del diodo. Dalla caratteristica del diodo si può osservare che esso comincia a condurre per tensioni Vd maggiori di 0.5 V (per diodi al silicio) ed essendo un andamento esponenziale la corrente sale molto velocemente con la tensione applicata, raggiungendo 0.8 V per la massima corrente di conduzione ammessa per quel tipo di diodo. Con questa osservazione per semplificare i calcoli del circuito elettrico in cui il diodo è inserito, si può sostituirlo con dei modelli in modo da poter applicare la legge di Ohm. Diodo ideale: Se il diodo conduce, sostituire il diodo con un cortocircuito Se il diodo non conduce sostituirlo con un circuito aperto Le fig.4a e b rappresentano questa sostituzione. Id I s (e 1) dove: VT reale DIODE 1k Vin 1k Vout Vin Vout = Vin modello diodo in conduzione Fig. 4a Sostituzione del diodo in conduzione con modello ideale reale DIODE 1k Vin 1k Vout Vin Vout = 0 modello diodo non in conduzione Fig. 4 b Sostituzione del diodo non in conduzione con modello ideale Dalla figura 4a si evidenzia che la tensione di uscita Vout è uguale a Vin se il diodo conduce, mentre la tensione Vout è uguale a zero se il diodo non conduce (fig. 4b). Un altro modello molto usato è quello di sostituire il diodo in conduzione con una resistenza rf ed un generatore V collegati fra loro in serie come in figura 5. rf V . reale 10 DIODE 1k Vin Vout 1k Vin Vout modello diodo in conduzione Fig. 5 Sostituzione del diodo reale in conduzione con il modello Esperienza n 4: DIODO 4 Il valore di rf è generalmente compreso fra pochi ohm ad alcune decine, mentre il valore di V per diodi al silicio è 0,5 V. La tensione di uscita diventa: Vout = Vin - V - I*rf In molti casi si considera, per semplificare, la rf nulla, e sostituire V con V = 0,7 V quindi Vout = Vin – 0,7 Se il diodo è polarizzato inversamente esso può essere sostituito semplicemente da una resistenza rr di valore molto elevato e dell’ordine di decine di M, come in Fig. 6. rr 10 M reale DIODE 1k Vin 1k Vout Vin Vout modello diodo non in conduzione Fig. 6 Sostituzione del diodo reale con il suo modello La tensione Vout diventa praticamente la zero. Si intende che i valori riportati non sono validi per qualunque diodo, ma sono valori indicativi utili alla comprensione del comportamento reale di un diodo. 1 Raddrizzamento ad una semionda Applicando all’ingresso del circuito di fig. 5 una tensione sinusoidale fornita da un generatore di funzioni si può osservare con l’oscilloscopio che la tensione di uscita contiene solo la semionda positiva. Questa tensione è detta “pulsata” e non sarebbe adatta ad alimentare un circuito elettronico. Per renderla costante nel tempo è necessario mettere un filtro RC in modo da lasciare passare solo le frequenze molto basse rispetto alla frequenza del generatore di ingresso, come presentato in fig. 7 dove la resistenza è da considerare come elemento utilizzatore o carico. Vin Diodo 10uf C R Vout 2 1k Fig.7 Raddrizzamento di una tensione alternata con filtro RC Verificare con l’oscilloscopio digitale impostato con la “Fast Fourier Transformer” il valore dell’ampiezza delle varie frequenze con e senza il condensatore di filtro. Osservare il comportamento della regola empirica: è necessario mettere un condensatore di 1f per ogni mA di corrente che passa nel carico R per avere una tensione ai capi del carico quasi costante. Per carichi che richiedono correnti dell’ordine di alcuni amper è necessario mettere condensatori di migliaia di microfarad ed è perciò necessario far uso di condensatori elettrolitici polarizzati.
