Diodo

DIODO
Si dice diodo un componente a due morsetti al cui interno vi è una giunzione P-N. Il
terminale del diodo collegato alla zona P si dice anodo; il terminale collegato alla zona N
si dice catodo. Il simbolo elettrico del diodo è il seguente:
La freccia del simbolo indica il verso della corrente.
Per il diodo vi è una caratteristica diretta, che si ottiene polarizzando il diodo
direttamente. Per ricavare la caratteristica diretta è sufficiente un circuito come il seguente:
R
in cui si applica una tensione E variabile da zero fino al valore massimo e
contemporaneamente si misura la corrente del diodo ID e la tensione del diodo VD. Da
notare che il voltmetro V misura la tensione ai capi del diodo VD. Invece l'amperometro A
misura la corrente del diodo ID più la corrente del voltmetro IV; quindi per ricavare ID si usa
la seguente formula: ID = IA - IV. Fatto un numero adeguato di misure si riportano i valori su
un diagramma e la caratteristica diretta è la seguente:
Id
(mA)
Vγ
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Vd (v)
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Notiamo che fino alla tensione di soglia Vγ la corrente è praticamente nulla; superata la
tensione di soglia la corrente aumenta di molto e in maniera quasi lineare.
Per il diodo vi è una caratteristica inversa, che si ottiene polarizzando il diodo
inversamente. Per ricavare la caratteristica inversa è sufficiente un circuito come il
seguente:
in cui si applica una tensione variabile da zero fino al valore massimo e
contemporaneamente si misura la corrente ID e la tensione VD. Fatto un numero adeguato
di misure si riportano i valori su un diagramma e la caratteristica inversa è la seguente:
Id (µA)
I0
Vd (v)
Notiamo che la corrente inversa è molto piccola (e’ dovuta ai portatori minoritari della
giunzione PN il cui passaggio e’ favorito dalla polarizzazione inversa), in pratica si
mantiene ad un valore costante I0, detta corrente inversa di saturazione.
RETTA DI CARICO
Consideriamo il seguente circuito:
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Il generatore di tensione E fornisce una tensione che polarizza direttamente il diodo.
Applicando il secondo principio di Kirchhoff delle tensioni otteniamo:
(1)
E = VD + R ID
Dove VD è la caduta di tensione ai capi del diodo e R ID la caduta di tensione ai capi di R.
Tale equazione e’ di primo grado e le variabili sono VD ed ID, rappresenta quindi una retta
della retta di carico. La retta di carico può essere rappresentata sulla caratteristica diretta
del diodo. Come vediamo nel seguente schema:
E
R
Id
(mA)
Id
Vd (v)
Vd
E
Per tracciarla abbiamo calcolato le intersezioni con gli assi dell’ equazione (1), cioe’:
per
Id = 0 (asse delle ascisse)
Vd = E
per
Vd = 0 (asse delle ordinate)
Id =
E
R
In definitiva la retta di carico rappresenta tutti i punti possibili di funzionamento se non ci
fosse il diodo. La caratteristica diretta del diodo rappresenta tutti i punti possibili di
funzionamento se non ci fosse il resistore. L'unico punto possibile di funzionamento è dato
dall'intersezione della retta di carico con la caratteristica diretta del diodo, cioè il punto P. Il
punto P è detto punto di lavoro. Per ricavare la vera tensione del diodo si parte da P e si
tira una linea verticale che interseca l'asse orizzontale nel punto VD, che, letto nella scala
delle tensioni, rappresenta la tensione ai capi del diodo. Per ottenere la corrente del diodo
si tira una linea orizzontale partendo da P sino ad incontrare l'asse verticale. Il punto di
incontro ID rappresenta nella scala delle correnti la reale corrente del diodo.
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CIRCUITI APPROSSIMATI DEL DIODO
La curva caratteristica del diodo come abbiamo visto non e’ lineare, per semplificare la
risoluzione dei circuiti si preferiscono quindi utilizzare delle curve approssimate lineari
diverse a seconda del grado di precisione finale che si vuole ottenere.
1° approssimazione (grossolana). La curva si approssima come segue
Id
(mA)
Vd (v)
Il diodo si considera un corto circuito per polarizzazione diretta, mentre per
polarizzazione inversa si considera un circuito aperto.
2° approssimazione (la piu’ utilizzata). La curva si approssima come segue
Id
(mA)
Vγ
Vd (v)
Il diodo per polarizzazione diretta si comporta come un generatore di tensione di
valore Vγ ( 0.7 V per i diodi al silicio ) mentre per polarizzazione inversa si considera un
circuito aperto.
3° approssimazione (la piu’ vicina alla realta’). La curva si approssima come segue
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Id
(mA)
Vγ
Vd (v)
Il diodo per polarizzazione diretta si comporta come un generatore di tensione di
valore Vγ ( 0.7 V per i diodi al silicio ) con in serie una resistenza, mentre per
polarizzazione inversa si considera un circuito aperto.
RADDRIZZATORE AD UNA SEMIONDA
Un circuito si dice raddrizzatore quando riceve in ingresso un segnale di tipo sinusoidale
e dà in uscita una tensione non più alternata ma avente un solo segno. Tale tipo di
tensione viene detta unidirezionale pulsante. Un raddrizzatore si dice ad una semionda
se sfrutta solo una semionda del segnale di ingresso, cioè tutte le semionde positive,
oppure tutte le semionde negative. Un raddrizzatore si dice a due semionde quando
sfrutta sia le semionde positive che le semionde negative.
Lo schema di un circuito raddrizzatore ad una semionda è il seguente:
Le forme d'onda sono le seguenti:
Vi
t
Vu
t
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Come vediamo dal circuito, durante la semionda positiva del segnale di ingresso il diodo è
polarizzato direttamente e si comporta come un corto circuito facendo passare in uscita
tutta la semionda positiva, senza deformarla. Si tenga conto che trascuriamo la tensione di
soglia del diodo.
Quando in ingresso arriva la semionda negativa il diodo è polarizzato inversamente e si
comporta come un circuito aperto; la semionda negativa non può arrivare in uscita e quindi
la tensione di uscita è nulla. Trascuriamo, in questo caso, la corrente inversa di
saturazione I0.
RADDRIZZATORE AD UNA SEMIONDA CON FILTRO CAPACITIVO
C
il condensatore quando la Vi sale sino al suo valore massimo Vm si carica, quando la Vi
scende di valore è costretto a scaricarsi con legge esponenziale su R e la tensione in
uscita è inferiore al valore massimo VM e decrescente. Tuttavia, non appena il segnale di
ingresso termina la semionda positiva, supera la negativa (in cui il diodo è interdetto) e
arriva ad una tensione Vi maggiore della tensione ai capi del condensatore, VC = Vu, il
diodo è polarizzato direttamente e il condensatore si carica di nuovo con tensione
crescente fino al valore massimo VM.
I diagrammi sono i seguenti:
Vi
VM
t
Vu con filtro
Vu
Vo
Vu senza filtro
t
∆Vo
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Vo e’ il valore continuo della tensione ottenuta, mentre ∆Vo e’ l’ oscillazione attorno a
questo valore. Si definisce fattore di ripple percentuale il rapporto:
∆Vo
r%=
* 100
Vo
Per il raddrizzatore ad una semionda si ha
r%=
1
2
* 100
3 f CR
dove f e’ la frequenza della tensione di ingresso.
RADDRIZZATORE CON TRASFORMATORE A PRESA CENTRALE
Lo schema del raddrizzatore con trasformatore a presa centrale è il seguente:
D1
Vi
D2
R1
E' un raddrizzatore a due semionde, cioè sfrutta sia la semionda positiva che la semionda
negativa del segnale di ingresso. Durante la semionda positiva il diodo D1 è polarizzato
direttamente e in uscita abbiamo una tensione che segue la semionda positiva; il diodo D2
è polarizzato inversamente, quindi non conduce.
Durante la semionda negativa il diodo D2 è polarizzato direttamente e in uscita abbiamo
una tensione che segue la semionda negativa, però sfasandola di 180° dato il
collegamento del trasformatore. Il diodo D1 è interdetto.
Le forme d'onda sono le seguenti:
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Vi
Vu
Il valore massimo della tensione di uscita sara’ : Vu max = K * Vi max /2 dove K e’ il rapporto
di trasformazione del trasformatore (questo abbassa o innalza la tensione del primario in
base al rapporto fra il numero delle spire N1 del primario ed N2 del secondario: K e’ circa
pari a N1/N2 ).
In definitiva in uscita arrivano tutt'e due le semionde, però sempre sotto forma di semionda
positiva. E' un circuito costoso a causa del trasformatore a presa centrale.
RADDRIZZATORE CON PONTE DI DIODI
Lo schema del raddrizzatore con ponte di diodi è il seguente:
D1
D2
Vi
D3
D4
R1
E' un raddrizzatore a due semionde. Durante la semionda positiva sono polarizzati
direttamente i diodi D2 e D3, invece sono polarizzati inversamente i diodi D1 e D4.La
corrente segue il seguente percorso: D2, Ru, massa, D3, generatore di tensione.
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Durante la semionda negativa sono polarizzati direttamente i diodi D4 e D1, invece sono
polarizzati inversamente i diodi D2 e D3.La corrente segue il seguente percorso: D4, Ru,
massa, D1, generatore di tensione. Le forme d'onda sono le seguenti:
Vi
Vu
In definitiva in uscita arrivano tutt'e due le semionde, però sempre sotto forma di semionda
positiva. Questo circuito si preferisce a quello precedente in quanto e’ meno costoso.Sia in
questo circuito che nel precedente si puo’ prevedere un filtro capacitivo per ottenere il
livellamento della tensione in uscita, in questo caso il fattore di ripple percentuale si
calcolera’ con la formula:
r%=
1
4
* 100
3 f C R1
dove f e’ la frequenza della tensione di ingresso.
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