Introduzione ai Diodi ⚙️

Semplificando le cose, il diodo è un componente che si comporta in questo modo: se la tensione ai suoi capi è superiore ad un certo valore che chiamiamo tensione di soglia o Vɣ, esso crea un percorso conduttivo, cioè lascia passare la corrente, se invece è minore, non conduce, cioè non lascia passare la corrente. Quando conduce il diodo tende a mantenere ai suoi terminali una tensione costante, che è appunto la tensione di soglia, che per i diodi al silicio è di circa 0.7V, per i diodi al germanio è di circa 0.3V. Cosi semplice eppure è utilizzato in moltissime applicazioni, ma vediamo come funziona esattamente e qual'è la sua particolarità.



L'andamento della corrente nel diodo è non lineare: per valori di Vak(tensione anodo-catodo) minori di 0.7V, la corrente è praticamente nulla, per valori maggiori di 0.7V, la corrente aumenta esponenzialmente, e quindi il diodo conduce, mantenendo appunto la sua tensione di turn on(o tensione di soglia, la Vɣ).

L'anodo è il terminale positivo, il catodo è il terminale negativo, e quindi la corrente va dall'anodo al catodo, e non viceversa.Ecco come calcolare la corrente che il diodo farà scorrere, che può diventare molto alta dato che la tensione ai suoi capi cerca di rimanere costante.Se diamo in ingresso una tensione troppo alta, il diodo si brucia, a causa delle elevate correnti che iniziano a circolare, con il rischio di danneggiare anche altri componenti del circuito.



dove Vt è la tensione termica, perchè il diodo si scalda, e quindi la corrente aumenta, e Is è la corrente di saturazione inversa, cioè la corrente che scorre quando il diodo è polarizzato inversamente(come se invertissimo catodo e anodo), cioè quando la tensione ai suoi capi è negativa.

Quindi, volendo riassumere, il diodo è come una valvola, che si apre quando la tensione applicata ai suoi capi è maggiore di quella di soglia, e si chiude (quindi non passa acqua, cioè corrente) quando è minore.

Ora vediamo come si comporta il diodo quando è polarizzato inversamente, cioè quando la tensione ai suoi capi è negativa(cioè applichiamo al catodo una tensione positiva e all'anodo negativa, quindi al contrario). Abbiamo detto che in queste condizioni non conduce, ma in realtà non è sempre cosi: quando superiamo un certo valore di tensione inversa otteniamo la condizione di breakdown.

Quindi raggiunto il breakdown, o meglio, la tensione di breakdown, dobbiamo distinguere due casi. Ci sono due tipi di diodo che consideriamo, quelli "normali" e quelli Zener(simbolo mostrato nella figura di sopra).

Quando polarizziamo in inversa un diodo Zener, si genera ai suoi capi una tensione costante, che è la tensione di breakdown zener(infatti questa condizione è detta breakdown zener), indicata con Vz.Questa tensione avrà verso opposto rispetto alla tensione applicata, cioè se la tensione applicata è negativa, la tensione di breakdown sarà positiva, e viceversa.

Quando polarizziamo in inversa un diodo normale e superiamo la tensione di breakdown, abbiamo il cosiddetto breakdown a valanga, cioè la corrente aumenta esponenzialmente, e quindi il diodo si brucia, a causa delle elevate correnti che iniziano a circolare, con il rischio di danneggiare anche altri componenti del circuito.





Solitamente la tensione di breakdown è maggiore in valore assoluto di quella di soglia, ad esempio un valore tipico è -5V, quindi significa che se lo polarizziamo in breakdown zener(quindi il diodo deve essere di tipo zener, altrimenti distruggiamo il diodo normale con quella tensione), la tensione che manterrà ai suoi capi sarà di 5V.

Volendo tracciare dei grafici per mostrare come si comportano le correnti di uscita dal diodo in funzione delle tensioni di ingresso, possiamo fare una semplificazione: siccome l'andamento è esponenziale, invece di tracciare il grafico di un'esponenziale, tracciamo una retta verticale per indicare che il diodo inizia a condurre.



Quindi, il diodo zener polarizzato in inversa equivale a un generatore di tensione costante di valore Vz, se polarizzato in diretta Vɣ, se invece viene applicata una tensione compresa tra la Vz e la Vɣ,equivale a un circuito aperto.Attenzione al cambiamento di verso della tensione di breakdown rispetto a quella applicata, il catodo diventa positivo e l'anodo negativo in polarizzazione inversa. Quello normale, il diodo rettificatore, invece è un generatore di tensione da Vɣ se polarizzato in diretta, se polarizzato in inversa, è un circuito aperto. La prima cosa da fare è vedere il valore di Vout e lo stato dei diodi quando Vs = 0, cosi sappiamo come partirà la caratteristica statica. Poi si fanno ipotesi e calcoliamo quindi le zone in cui i diodi si accendono o si spengono, in modo da poter vedere subito l'andamento di Vout in funzione di Vs.

Analisi di Circuiti con Diodi

Vediamo ora come si comporta il diodo in un circuito, quindi come analizzare,cioè capire il comportamento di un circuito contenente questi componenti.

Partiamo da un esempio abbastanza complesso, ma vediamo passo per passo come si analizza. E' un circuito a due diodi, uno normale e uno zener e il nostro obbiettivo è quello di tracciare la sua caratteristica statica cioè ingresso vs uscita senza considerare eventuali capacità o induttanze che sono nel circuito, quindi "eliminiamo" capacità e induttanze.In seguito vedremo invece come considerare l'effetto di eventuali condensatori connessi.


Prendiamo quindi questo esercizio: Vs è l'input, la tensione che diamo in ingresso al circuito e l'output sarà Vout.Vogliamo quindi ricavare la sua carratteristica statica.Per farlo dobbiamo quindi vedere come varia Vout e trovare perciò la sua espressione in funzione di Vs. Possiamo togliere il condensatore e capiamo che per risolvere il circuito dobbiamo considerare in quale condizioni si trovano i diodi al variare di Vs, perchè quando vario Vs variano le condizioni dei diodi.

Per tracciare la caratteristica statica seguiamo quindi questi passaggi:

1)si eliminano tutte le capacità o induttanze dal circuito
2)si calcolano i valori di Vout e lo stato dei diodi quando Vs = 0
3)si fanno ipotesi e si calcolano le zone in cui i diodi si accendono o si spengono
4)si calcola Vout in funzione dell'ingresso applicando il principio di sovrapposizione degli effetti.

Per calcolare ad esempio le condizioni in cui i diodi sono spenti, dobbiamo imporre una tensione ai capi dei diodi tale per cui siano spenti.



quindi abbiamo semplificato il circuito e abbiamo preso in considerazione la tensione Vx, che è la tensione ai capi del diodo(che è la tensione che va da gnd, "passa" sulla resistenza fino ai capi del diodo zener).



Poniamo quindi Vs=0 e cosi facendo eliminiamo il generatore di tensione Vs.Adesso ipotizziamo le condizioni dei diodi: siccome sul parallelo dei due diodi cadono 5V(Vdd), è ragionevole pensare che entrambi i diodi siano accesi, D1 polarizzato in diretta e D2 in zener.Li sosituiamo quindi con due generatori e calcoliamo Vout. Possiamo verificare le ipotesi calcolando la tensione ai capi dei due diodi nel circuito che abbiamo disegnato e vedere se effettivamente risultano accesi(ad esempio se la tensione su D1 è maggiore di Vɣ sarà acceso).



Ora si riaccende il generatore Vs e quindi facciamo variare il nostro input e vediamo come varia di conseguenza Vout e soprattutto Vx in modo da capire se ci sono zone in cui i diodi si spengono. Se questo accade dobbiamo ricalcolare Vout in questa zona.

Circuito di un adattatore

Vediamo adesso il circuito di un adattatore, che converte la corrente alternata in corrente continua, e quindi la tensione alternata in tensione continua, che è quella che serve per caricare i telefoni, per esempio. Quindi il circuito che vedremo abbasserà la tensione, la raddrizzerà e la filtrerà, cioè eliminerà le componenti alternate, e quindi otterremo una tensione continua.



A prima vista potrebbe sembrare un circuito abbastanza complesso, ma analizziamolo un po' per volta.Il problema che vogliamo risolvere è questo: abbiamo la corrente di casa e vogliamo ricaricare un telefono. A questo punto capiamo bene che ricaricare una batteria da 5V DC(corrente continua) con 220V AC(corrente alternata)di casa è impossibile perchè la batteria si brucerebbe, quindi dobbiamo abbassare la tensione e raddrizzarla.

Come risolviamo il problema:

1)abbassiamo la tensione con il trasformatore
2)raddrizziamo la tensione con il ponte di diodi(full bridge rectifier)
3)filtriamo la tensione con il condensatore e il diodo normale
4)stabilizziamo la tensione con il regolatore di tensione
5)abbiamo la tensione di uscita, i nostri 5V DC

Il trasformatore è un dispositivo molto semplice, è costituito da due avvolgimenti di filo di rame su un nucleo di ferro, uno primario(input,quindi a questo avvolgimento viene connessa la rete di casa,220V) e uno secondario(output,la tensione sarà abbassata,avremo 5V in uscita nel nostro esempio del telefono), e la tensione di uscita è proporzionale al rapporto tra il numero di spire del primario e del secondario, quindi se abbiamo 220V in ingresso e 5V in uscita, il rapporto è 44:1, cioè il secondario ha 44 spire per ogni spira del primario.

Il problema però non è risolto: abbiamo abbassato la tensione, ma abbiamo ancora una corrente sinusoidale, che cambia quindi di segno(nella corrente di casa, in Italia alla frequenza di 50Hz), e quindi dobbiamo raddrizzarla, cioè eliminare la parte negativa della corrente, e quindi ottenere una corrente continua.Ovviamente una corrente alternata non può ricaricare la nostra batteria, quindi dobbiamo raddrizzarla...

Quindi in uscita al trasformatore connettiamo un circuito raddrizzatore, ne esistono tanti tipi, uno dei più usati è il full bridge rectifier, o ponte di Graetz ,che è costituito da 4 diodi, che raddrizzano la corrente, cioè eliminano la parte negativa della corrente, e quindi otteniamo una corrente continua, ma non ancora perfetta, perchè abbiamo ancora delle onde, e quindi dobbiamo filtrarla.Con le tecniche di analisi viste prima si potrebbero analizzare le zone di funzionamento dei diodi.

Raddrizzata la corrente e quindi ottenute delle semionde tutte positive, dobbiamo filtrarla, cioè eliminare quelle semionde e farle diventare una tensione continua, idealmente una retta orizzontale. Per fare questo usiamo un condensatore e un diodo e data la presenza del diodo, il condensatore si carica quando la tensione è positiva e si scarica quando la tensione è negativa, e quindi elimina le onde, e quindi otteniamo una tensione continua, ma non ancora perfetta, perchè abbiamo ancora delle piccole nella parte alta(dovute alla scarica del condensatore), e quindi dobbiamo stabilizzarla.

Per stabilizzarla usiamo un regolatore di tensione, che è un componente che mantiene costante la tensione in uscita, anche se varia la tensione in ingresso, e quindi otteniamo la nostra tensione di uscita, i nostri 5V DC.

Vediamo ora dei parametri per valutare l'efficienza del nostro adattatore:

•Ripple: il ripple è definito come la differenza tra la tensione massima in entrata e la tensione minima in uscita, quindi ci dice quanto è stabile la tensione in uscita, e quindi quanto è buono il nostro filtro. Vripple = Vmax_in - Vmin_out
•Tensione di uscita media: è la tensione media in uscita, quindi la tensione che vediamo sul nostro multimetro,la tensione che arriva al nostro telefono.



•Efficienza: è il rapporto tra la potenza in uscita e la potenza in ingresso, quindi ci dice quanto è efficiente il nostro adattatore, cioè quanto è buono a trasformare la corrente alternata in corrente continua. Eff = (Pout/Pin) * 100. La potenza Pout è quella dissipata dal carico che si connette in uscita.
•Peak Inverse Voltage(PIV): PIV=Vka * Imax quindi la tensione massima sopportata dal diodo in inversa, generalmente riferita al diodo del raddrizzatore.

Facciamo una precisazione riguardo il PIV e la corrente di casa.La corrente di casa è alternata, quindi se diciamo che è da 230V(o 220,ma nella maggior parte dei casi reali è 230), in realtà a 230 ci arriva solo per un istante, il picco, ma poi essendo sinusoidale riscenderà, quindi rispetto a una corrente continua sarà "meno potente", perchè non sta sempre a 220V costantemente.Per fornire un valore medio di 220V, in realtà le reti domestiche hanno picchi tra i -325V e i +325V.Ecco allora che entra in gioco il concetto di RMS(Root Mean Square): per ottenere il vero valore medio di una tensione alternata si deve prendere il suo valore di picco(325V nelle reti domestiche) e dividerlo per √2(radice di due perchè è una caratteristica delle onde sinusoidali).Infatti dividendo 325 per radice di due si ottiene proprio 230V, che è il vero valore letto su un multimetro nella corrente di casa, cioè il valore medio della tensione.

Fisica del Diodo

Vediamo ora brevemente la fisica che c'è dietro,non necessaria per capire come funziona il diodo,ma è comunque interessante, chi vuole può saltare questa parte...

E' realizzato a partire da una fetta(wafer) di silicio, semiconduttore, cioè un materiale che ha una resistività intermedia tra quella dei conduttori e quella degli isolanti, ma viene trattato in modo da avere una resistività molto bassa, cioè diventa un conduttore, ma non un conduttore perfetto, cioè non ha resistenza nulla, ma ha una resistenza molto bassa,trascurabile, e quindi si comporta come un conduttore.

Partiamo dal presupposto che ci sono due tipi di portatori di carica: gli elettroni e le lacune. Gli elettroni sono cariche negative, le lacune sono cariche positive. Il silicio è un materiale che ha 4 elettroni nella sua ultima orbita, e quindi forma 4 legami covalenti con altri atomi di silicio, ma se gli diamo energia, un elettrone può staccarsi e diventare un portatore di carica, cioè un elettrone libero, e quindi il silicio diventa conduttore.

In base a come viene viene drogato, cioè in base a come vengono aggiunte impurità al silicio,può diventare N(negativo perchè vengono aggiunti elettroni) quindi con più elettroni liberi che lacune, e quindi un elettrone in più, o P (positivo, perchè vengono aggiunte lacune), drogato invece in modo da avere più lacune che elettroni liberi, e quindi un elettrone in meno per ogni atomo.Il silicio di tipo P conduce con le lacune, il silicio di tipo N conduce con gli elettroni, quindi con tensioni positive, gli elettroni vanno verso il polo positivo, con tensioni negative, le lacune vanno verso il polo negativo, gli elettroni verso il polo positivo.

Il diodo è realizzato con un "pezzo" di silicio di tipo N e uno di tipo P, e una giunzione tra i due, e quindi ha una giunzione PN. Quando la tensione ai suoi capi è minore di 0.7V, non conduce, cioè non lascia passare la corrente, perchè gli elettroni del silicio di tipo N non possono andare verso il polo positivo, e le lacune del silicio di tipo P non possono andare verso il polo negativo, ma quando la tensione è maggiore di 0.7V, allora conduce, cioè lascia passare la corrente, perchè gli elettroni del silicio di tipo N possono andare verso il polo positivo, e le lacune del silicio di tipo P possono andare verso il polo negativo.

Per come i diodi sono fatti si creano due correnti al loro interno(quindi si genera un campo elettrico): una corrente di diffusione, cioè gli elettroni del silicio di tipo N vanno verso il polo positivo P, e le lacune del silicio di tipo P vanno verso il polo negativo, e una corrente di deriva, cioè gli elettroni del silicio di tipo N vanno verso il polo positivo, e le lacune del silicio di tipo P vanno verso il polo negativo. Queste due correnti sono dovute non ad un campo elettrico applicato dall'esterno, ma soltanto a causa del gradiente di concentrazione di elettroni e lacune.

Mano a mano che le cariche si diffondono sulla giunzione(attorno) si forma una regione di svuotamento dove non ci sono cariche, e quindi non c'è corrente.A causa della diffusione delle cariche, nella regione di svuotamento si forma un campo elettrico che si oppone alla diffusione, stiamo quindi parlando della deriva. In equilibrio, quindi nessuna tensione applicata la corrente di diffusione è uguale a quella di deriva.La tensione applicata infatti modifica questo bilancio nella regione di svuotamento, e quindi la corrente totale.

La zona di svuotamento è una zona in cui non ci sono cariche e applicando una tensione si può ridurre o aumentare la larghezza di questa zona, e quindi la corrente che passa attraverso il diodo.Quando la larghezza si riduce, la corrente aumenta, quando la larghezza aumenta, la corrente diminuisce.

La barriera di potenziale è quindi il campo elettrico interno che si forma nella regione di svuotamento e che impedisce il movimento delle cariche attraverso la giunzione. Infatti una tensione positiva riduce la barriera e origina una corrente che attraversa la giunzione.




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