Laboratorio di ELETTRONICA: Diodi
Parte I – Diodi studio analitico
Obbiettivo del lavoro
Dati un diodo di segnale, un diodo led ed un diodo zener determinarne le caratteristiche
in un grafico I [mA] e VAK [V]
Analisi dei dati ricevuti
1. Diodo di segnale
1.1. Studio Analitico
Il diodo è un dispositivo a due terminali denominati anodo (A) e catodo (C) (come
mostrato in figura 1.1), se:
L’ Anodo è positivo ed il Catodo è negativo il diodo è un corto circuito
L’ Anodo è negativo ed il Catodo è positivo il diodo è un circuito aperto
A
K
I =f(VAK)
VAK
fig.1.1 Schemi di un diodo
Nella figura sotto (fig.1.2.) viene mostrata la caratteristica di un diodo a giunzione in
un grafico dove sull’asse delle x: viene messa la tensione
tra Anodo e Catodo (VAK) e sull’asse delle y: la corrente
(I). Nel primo quadrante quando viene superata la
I (mA)
BV
tensione di soglia Vs, ed il dispositivo inizia a condurre in
modo esponenziale. Invertendo poi la polarità della
Vs
VAk
batteria si ottiene il rilievo della caratteristica in senso
fig.1.2 Caratteristica di un diodo
inverso. Aumentando la tensione inversa applicata la I 0
rimane costante. Superato il valore della tensione inversa
indicata come Bv (breakdown voltage) il diodo perde la sua proprietà isolante e si
lascia attraversare dal valore di corrente la cui intensità rimane solo alla presenza
della resistenza R e la differenza di potenziale (d.d.p.) tra anodo e catodo rimane
pressoché costante. Alcuni diodi come lo zener sono realizzati per lavorare nella
zona di breakdown in modo che la tensione ai suoi capi rimanga costante. (v.punto
3).
La realizzazione tra la tensione applicata e la corrente può essere rappresentata
dalla formula:
VAk
I I0 ( e
VT
1)
[1]
dove:
I0=corrente inversa
VAK=d.d.p. applicata tra anodo e catodo
=costante di valore 1 per un diodo al germanio e per quello al silicio compreso
tra 1 e 2
VT= tensione in funzione della temperatura ed in funzione di:
VT
K T
q
[2]
dove:
K=costante di Boltzmann (1.38 . 10-23 J/°K)
T=temperatura assoluta misurata in Kelvin
q=carica dell’elettrone (1.6 . 10-19 C)
se il termine esponenziale che compare nella relazione tra I e V AK cresce molto più
rapidamente quando VAK > 0 e non appena VAK >> VT si può ritenere trascurabile,
rispetto al termine esponenziale, e la corrente viene espressa come1:
VAk
I I0 e
VT
[3]
viceversa quando VAK < 0 il termine esponenziale è trascurabile rispetto a 1 per cui
la corrente è approssimabile al valore:
I I 0
1
Le formule [3]e [4] sono in riferimento alla [1]
[4]
2. Diodo led
2.1 Studio Analitico
Il diodo LED (Ligt Emitting Diode = diodo ad emissione di luce) è un dispositivo che
emette luce con intensità direttamente proporzionale alla corrente che scorre in una
giunzione polarizzata direttamente. I semiconduttori impiegati nei LED ad emissione
di luce rossa (come quello in dotazione), verde o gialla sono l’arseniuro di Gallio
(GaAs) e l’arseniuro –fosfuro di gallio (GaAsP).
Il diodo led presenta una curva caratteristica del tutto simile a quella di un diodo
normale (cfr. fig. 1.2) ma la tensione di soglia Vs è compresa tra 1.5 V e 2 V
(1.5<Vs<2) a seconda del led utilizzato.
Il contenitore è di materiale trasparente a forma di lente al fine di aumentare
l’efficienza di emissione verso l’esterno.
La massima corrente sopportabile è tipicamente di 50 mA mentre la tensione di
breakdown è di alcuni volt.
In figura 1.3 viene mostrata la caratteristica ed il circuito equivalente
fig.1.3 Curva caratteristica e circuito di impiego di un diodo LED
3. Diodo zener
3.1 Studio Analitico
I (mA)
BV
Vs
VAk
fig.1.4 Caratteristica di un diodo zener e circuito dello stesso
Il diodo zener è un particolare diodo fabbricato per lavorare sulla caratteristica
inversa nella zona di breakdown. Il depletion layer di una giunzione fortemente
drogata e polarizzata inversamente è sottile per cui l’elevato campo elettrico è in
grado di liberare coppie di elettrone-lacune dai legami covalenti e ciò determina, per
effetto Zener, una circolazione di corrente.
Se la coppia di elettrone lacuna si libera nella regione di tipo P, l’elettrone
minoritario attraversa la giunzione poiché attratto dal polo positivo del generatore di
tensione collegato alla regione di tipo N. La carica accelerata inoltre, può liberare,
per urto, altre coppie elettrone-lacuna e ciò consente la circolazione di corrente di
intensità anche piuttosto elevata. La tensione di breakdown in questi diodi è nota
come tensione di zener il cui valore va da alcuni Volt ad alcune centinaia di Volt,
così come mostrato in figura 1.4.
Esperimento
Come viene mostrato in figura sotto (fig. 1.5) sulla bread board viene realizzato il
circuito con:
Diodo
Resistenza da 1K
Reostato da 100
Generatore di tensione
Multimetro (dove viene letta la Corrente)
Volmetro digitale
:
reostato da 100
resistenza da 1 k
fig.1.5 Circuiti realizzato sulla bread board per il rilevamento della caratteristica
3.1. Esperimento con diodo di segnale
Vengono stabiliti sia valori di corrente dell’ordine dei mA che della tensione Vi
(quella uscente dal generatore=15V).
Si calcola l’uscita (Vu) controllando di volta in volta che il valore assegnato alla
corrente sia quello effettivamente mostrato dal multimetro analogico modificando
anche la portata ed il fondo scala dello stesso; ruotando il reostato, modificandone
la resistenza e per la prima legge di hm (V=RI) anche la corrente. Una volta che il
valore di corrente coincide a quello indicato dall’amperometro; la tensione d’uscita è
letta sul volmetro del generatore di funzione, in tabella sotto vengono riportati
risultati ottenuti (cfr. grafico allegato)
I [mA]
0.1
0.3
0.5
1
2
3
5
7
8
10
Vu [V]
0.49
0.55
0.58
0.61
0.64
0.67
0.70
0.71
0.724
0.74
Tab. 2.1: Valori della
tensione d’uscita Vu in
funzione della corrente i
-diodo di segnale-
3.2. Esperimento con diodo led
Dal circuito precedente (cfr.fig.1.5) viene sostituito al diodo di segnale il diodo led,
che raggiunto un certo valore di tensione si illumina. Da come si evince dal
confronto tra la tabella 2.1 e la tabella 2.2 la tensione di soglia in questo caso è più
del doppio di quella del diodo normale.
Sempre leggendo il valore di corrente sul multimetro analogico e modificando il
valore della resistenza tramite il reostato (per avere il valore coincidente di I) si
esegue la misura riportando i dati di seguito:
I [mA]
Vu [V]
0.1
1.45
0.3
1.51
Tab. 2.2: Valori della
0.5
1.53
tensione d’uscita Vu in
1
1.56
funzione della corrente i
-diodo led2
1.58
3
1.60
5
1.62
7
1.63
8
1.64
10
1.66
3.3. Esperimento con diodo zener
3.3.1 Esperimento con diodo zener polarizzato direttamente
Dal circuito precedente (cfr.fig.1.5) viene sostituito al diodo led il diodo zener
polarizzato direttamente e sempre leggendo il valore di corrente sul multimetro e
modificando il valore della resistenza si compie la misura come mostrato nella
tabella 2.3:
I [mA]
Vu [V]
0.1
0.65
0.3
0.68
Tab. 2.3: Valori della
0.5
0.71
tensione d’uscita Vu in
1
0.71
funzione della corrente i
-diodo zener pol.
2
0.73
direttamente3
0.74
5
0.76
7
0.77
8
0.77
10
0.78
3.3.2 Esperimento con diodo zener polarizzato inversamente
Dal circuito precedente (cfr.fig.1.5) viene sostituito al diodo led il diodo zener
polarizzato inversamente (ossia girando lo stesso) e sempre leggendo il valore di
corrente sul multimetro e modificando il valore della resistenza si compie la misura
come mostrato nella tabella 2.4::
I [mA]
Vu [V]
0.1
2.1
0.3
2.7
Tab. 2.4: Valori della
0.5
2.9
tensione d’uscita Vu in
1
3.2
funzione della corrente i
-diodo zener pol.
2
3.4
inversamente3
3.6
5
3.8
7
4
8
4
10
4.1
Dal confronto di quest’ultima con la 2.3 (polarizzazione inversa diretta) la tensione
d’uscita del diodo zener polarizzato inversamente è molto maggiore rispetto a quella
del diodo zener polarizzato inversamente.
I dati trovati vengono riportati su un grafico su cui sull’asse delle
Ascisse (x) viene posta la tensione tra anodo e catodo (VAK) [V]
Ordinate (y) viene posta la corrente I [mA]
ed aggiungendo più serie allo stesso grafico (allegato alla presente) se ne trova la
caratteristica così come espressamente dichiarato nell’obbiettivo della misurazione.
