IL DIODO A SEMICONDUTTORE Polarizzando una giunzione

IL DIODO A SEMICONDUTTORE
Polarizzando una giunzione P-N si ottiene un particolare componente dotato di una straordinaria capacità:
quella di condurre corrente se polarizzato direttamente e di non condurla se polarizzato invece
inversamente. Questo componente prende il nome di diodo a semiconduttore. In pratica la corrente in
questo componente scorre solo e sempre in un senso solo, ovvero dalla zona N alla zona P a condizione che
la zona N sia collegata a potenziale negativo rispetto alla zona P. Il simbolo elettrico del diodo è il
seguente:
La freccia indica il verso della corrente
Anodo
Catodo
A K
P
N
CARICHE MOBILI
POSITIVE
CARICHE MOBILI
NEGATIVE
P
N
+
--
V
Il diodo è un componente elettronico costruito con un cristallo di silicio o di germanio avente una parte drogata di
tipo P ed una di tipo N. A seconda della polarità con la quale viene alimentato si comporta come un interruttore che
permette il passaggio della corrente solo in un senso.
Per il diodo vi è una caratteristica diretta (che conduce corrente ossia interruttore chiuso), che si ottiene
polarizzando il diodo direttamente o una caratteristica inversa (che non conduce corrente ossia interruttore aperto),
che si ottiene polarizzando il diodo inversamente.
I diodi sono dei cilindretti con una banda colorata su un lato che indica il polo negativo (Catodo), durante il
montaggio bisogna porre attenzione alla bandina, il diodo posizionato male impedisce al circuito di funzionare
+
-caratteristica diretta
--
+
caratteristica inversa
In generale se il diodo viene polarizzato inversamente, e cioè si applica all'anodo una tensione negativa rispetto al
catodo, in pratica non passa corrente, se si esclude una debolissima corrente detta di "drift"; se però si supera un
determinato valore di tensione, detto valore di "breakdown", la resistenza del diodo cede improvvisamente, ed ha
luogo una conduzione senza limiti, detto "effetto valanga". Poiché normalmente un diodo non viene costruito per
funzionare nella regione di break-down, occorre evitare che questo accada, pena la distruzione irreversibile del
diodo, dovuta al brusco aumento della potenza dissipata. I diodi vengono prodotti per una vasta gamma di
applicazioni; variando le tecniche di costruzione, la percentuale di drogaggio del chip e le sue dimensioni, si possono
ottenere diodi in grado di sopportare una corrente massima che varia da 1 A a decine e centinaia di ampere, adatti a
tensioni di lavoro da qualche decina a varie centinaia di volt.
DIODO REALE
Quando il diodo è polarizzato direttamente, superata la tensione di soglia Vs che corrisponde a 0,7 V per il
silicio e 0,2 V per il germanio, la corrente aumenta di molto e in maniera quasi lineare. In alcune
applicazioni tuttavia è necessario conoscere con maggior precisione i valori di corrente-tensione del diodo.
In questi casi si può utilizzare la legge che lega la corrente che scorre in una giunzione alla tensione di
polarizzazione e quindi risolvere analiticamente le equazioni del circuito in esame.
I
A
A
+
+
VAK
VS
=
RD
VAK
K
Vs
tensione di soglia
I
A
R = 100 Ω
VS
+
V1
12V
K
I
A
R = 100 Ω
+
+
VS
V1
12V
RD
20 Ω
K
V1 -R ⋅ I-VS -R D ⋅ I = 0
V1 -(R+R D ) ⋅ (I)-VS = 0
(R+R D ) ⋅ (I) =V1 -VS
I=
V1 -VS
12-0,7
=
= 0,094 A
(R+R D )
120
VAK = VS+I ⋅ R D = 0,7+0,094 ⋅ 20 = 2,6 V
Un metodo differente e spesso più pratico è rappresentato dal metodo della "retta di carico".
K
RETTA DI CARICO
La retta di carico è un metodo grafico per trovare la corrente e la tensione di lavoro di un diodo. La retta
incontra l’asse delle I nel punto V1 ossia la tensione erogata dal generatore in rapporto alla resistenza a
R
monte del diodo e l’asse delle VAK nel punto V1 ossia la tensione erogata dal generatore. Il diodo lavorerà
con una corrente I ed una tensione VAK date dall’intersezione della curva caratteristica e la retta nel punto
P.
I
I
V1
R
A
R
+
P
I
VAK
V1
V1
VS
VAK
VAK
RD ⋅I
POTENZA UTILIZZATA DAL DIODO
Anche la potenza utilizzata da un diodo può essere ideale o reale.
A
A
+
+
VAK
VS
=
K
K
PU = VAK x I = 2,6 x 0,094 = 0,24 W
A
A
+
+
VAK
VS
=
RD
K
K
PU = (VS x I) + (RD x I2) = (0,7 x 0,094) + (20 x 0,009) = 0,066 + 0,18 = 0,246 W
K
RADDRIZZATORE A SEMPLICE SEMIONDA
In elettrotecnica ed elettronica un raddrizzatore o rettificatore è un dispositivo usato per trasformare la
corrente alternata in corrente continua.
Il metodo più semplice per raddrizzare una corrente è l'impiego di un diodo a semiconduttore. In questo
caso viene lasciata passare una sola semionda positiva di tensione, mentre quando è presente la semionda
negativa il diodo entra in interdizione e non si ha passaggio di corrente.
Questa soluzione genera una corrente molto difficile da livellare fino ad ottenere una corrente costante ed è
causa di notevole rumore elettrico (per rumore si intende l'insieme di segnali in tensione o corrente elettrica
indesiderati che si sovrappongono al segnale utile). In generale il rumore è un segnale di disturbo rispetto
all'informazione trasmessa in un sistema.
IDEALE
VD = 0 V
RD = 0
V1
VR
V1
t
VR
t
Il circuito raddrizzatore normale, che abbiamo considerato, non è adatto per raddrizzare piccoli segnali, in quanto esiste la
tensione di soglia VD che da un lato non fa rilevare le piccole tensioni e dall'altro altera i valori alle tensioni più alte, in quanto
occorre sempre detrarre da ogni valore di tensione il valore della tensione di soglia VD ; di conseguenza la caratteristica di
trasferimento non è lineare. Si avranno quindi un ritardo del segnale ed una tensione più piccola di quella erogata dal generatore.
Quando il segnale in ingresso è molto elevato questi inconvenienti risultano trascurabili; non possiamo, invece, farlo quando
abbiamo a che fare con segnali di ingresso molto piccoli e che richiedo risposte di segnale in tempi rapidissimi (nanosecondi).
REALE
VD = 0,7 V
RD = 0
V1
VR
V1
t
VR
t
Differenza di
tensione circa 0,7 V
ritardo
RADDRIZZATORE A DOPPIA SEMIONDA (A PONTE DI GRAETZ)
Il raddrizzatore a ponte di diodi o a ponte di graetz ha il compito di trasformare la corrente alternata in
corrente continua attraverso 4 diodi. In commercio esistono già tali circuiti e sono rappresentati con il
simbolo
+
Corrente alternata
Corrente continua
--
Il circuito è il seguente:
D4
D1
V
+
D3
D2
R
VR
--
V
t
VR
t
1) SEMIONDA POSITIVA
Durante la semionda positiva la corrente esce dal generatore, passa dal diodo D1, attraversa la resistenza R
(intesa come carico) ed infine passa dal diodo D3 per rientrare nel generatore. I diodi D2 e D4 sono
interdetti e si comportano come interruttori aperti. La caduta di tensione della resistenza sarà data dalla
legge alle maglie VR = V-VD3-VD1.
+
D1
+
D3
R
VR
---
2) SEMIONDA NEGATIVA
Durante la semionda negativa la corrente esce dal generatore dal polo opposto a prima, passa dal diodo D2,
attraversa la resistenza R (intesa come carico) ed infine passa dal diodo D4 per rientrare nel generatore. I
diodi D1 e D3 sono interdetti e si comportano come interruttori aperti. La caduta di tensione della resistenza
sarà data dalla legge alle maglie VR = V-VD2-VD4.
--
D4
+
D2
R
VR
+
--
Il susseguirsi delle semionde positive darà luogo ad una tensione pulsante, con voltaggio leggermente
minore a quella di entrata.
RADDRIZZATORE A DOPPIA SEMIONDA CON TRASFORMATORE A PRESA CENTRALE
E' un circuito raddrizzatore a due semionde, ha il compito di trasformare la corrente alternata in corrente
continua attraverso un trasformatore e 2 diodi . A differenza del raddrizzatore a ponte di diodi è più costoso
per via del trasformatore da una tensione in uscita dimezzata, ma ha il pregio di fornire una tensione
positiva ed una negativa utilizzata negli alimentatori duali. Il trasformatore è una macchina elettrica che
funziona in corrente alternata, il rapporto tra il numero di spire dell’avvolgimento primario e il numero di
spire di quello secondario mi darà la tensione in uscita. Il simbolo è:
PRIMARIO
SECONDARIO
Il circuito è il seguente:
D1
V
D2
+
R
VR
-V
t
VR
t
1) SEMIONDA POSITIVA
Durante la semionda positiva la corrente esce dal trasformatore, passa dal diodo D1, attraversa la resistenza
R (intesa come carico) ed infine rientra a metà della bobina dell’avvolgimento secondario. Per questo
motivo la tensione in uscita varrà la metà di quella erogata dal trasformatore e varrà VR = 1/2V-VD1.
Il diodo D2 è interdetto e si comporta come un interruttore aperto.
D1
V
+
R
VR
--
2) SEMIONDA NEGATIVA
Durante la semionda negativa la corrente esce dal trasformatore dal polo opposto a prima, passa dal diodo
D2, attraversa la resistenza R (intesa come carico) ed infine rientra a metà della bobina dell’avvolgimento
secondario. Per questo motivo la tensione in uscita varrà la metà di quella erogata dal trasformatore e varrà
VR = 1/2V-VD1. Il diodo D1 è interdetto e si comporta come un interruttore aperto.
V
D2
+
R
VR
--
Il susseguirsi delle semionde positive darà luogo ad una tensione pulsante, con voltaggio dimezzato a
quella di uscita dal trasformatore.