Diodi

1. Diodi Funzionamento ed applicazioni

2. Il diodo è un dispositivo • a due terminali, chiamati rispettivamente anodo e catodo • unidirezionale: esso si lascia attraversare dalla corrente solo in un verso, dall’anodo al catodo • non lineare

3. Il diodo può essere polarizzato • direttamente, se il potenziale all’anodo è maggiore di quello al catodo (Vak>0); in questo caso il diodo può condurre

4. oppure • Inversamente se il potenziale all’anodo è minore di quello al catodo (Vak<0); in questo caso il diodo non conduce

5. La caratteristica del diodomostra che se è polarizzato • Inversamente (Vak<0), esso non conduce • Direttamente (Vak>0), esso entra in conduzione quando Vak supera un valore di soglia (0.5V nei diodi al silicio)

6. Inoltre la caratteristica mostra che • Quando Vak oltre- passa la soglia, il diodo entra bruscamente in conduzione; piccoli incrementi di Vak provocano grandi incrementi di corrente

7. Notiamo ancora che • Quando il diodo è in piena conduzione, la tensione ai suoi capi si stabilizza, più o meno, intorno a 0.7V

8. La resistenza differenziale del diodo rd • è il rapporto tra la variazione di Vak e la corrispondente variazione subita da I. Il tratto di caratteristica in cui il diodo è in piena conduzione è molto ripido; perciò, piccole variazioni di Vak provocano grandi variazioni di I e la resistenza differenziale rd è molto piccola

9. La caratteristica del diodomostra ancora • che il componente non è lineare; infatti la caratteristica corrente tensione non è lineare ma esponenziale; anzi la corrente I che attraversa il diodo e la tensione ai suoi capi Vak sono legati dalla relazione:

10. Nell’ equazione della caratteristica del diodo • Io è una corrente di piccolo valore, tipica del diodo stesso, legata alla sua struttura e alla temperatura a cui si trova il dispositivo; Io è chiamata corrente inversa perché, come vedremo, essa è la piccola corrente che attraversa il diodo, quando è polarizzato inversamente • VT è una tensione determinata dalla temperatura a cui si trova il dispositivo; a 25oC, VT vale 25mV

11. Come è fatto il diodo? • Per realizzare i diodi si usano i semiconduttori, così chiamati perché hanno proprietà elettriche, in qualche modo, intermedie tra i conduttori e gli isolanti • I semiconduttori più usati sono il Silicio, molto diffuso sul nostro pianeta, e il Germanio

12. I semiconduttori possono essere • puri, o intrinseci; in questo caso essi hanno un eguale numero di portatori di carica positivi, chiamate lacune, e di portatori negativi, gli elettroni +-+-+-+-+-+-+- +-+-+-+-+-+-+- +-+-+-+-+-+-+- intrinseco

13. oppure possono essere • drogati di tipo P; in questo caso la composizione chimica del semicon- duttore è stata alterata in modo che le lacune (positive) siano maggioritarie rispetto agli elettroni ++-++++++-++ ++++++++++-+ ++++-+++++++ Tipo P

14. oppure possono essere • drogati di tipo N; in questo caso la composizione chimica del semicon-duttore è stata alterata in modo che gli elettroni siano maggioritari rispetto alle lacune - - + - - - - - - + - - - - - - - - - - - +- - - - - + - - - - - -+ Tipo N

15. Il diodo è una giunzione PN • Esso viene realizzato drogando una barretta di Silicio in modo che essa risulti da un lato di tipo P (con portatori maggioritari positivi) e dall’altro di tipo N (con portatori maggioritari negativi) Nella figura non sono indicati i portatori minoritari P N + + + + + + + + + + + + + + + • - - - - • - - - - • - - - - A K

16. La polarizzazione diretta • mette in moto le cariche maggioritarie, che sono molte, e perciò la corrente I diretta cresce rapidamente all’aumentare di V; ciò è vero se V supera una barriera di potenziale, di circa 0.5V, che è all’interno della giunzione + + + + + + + + + + + + + + + • - - - - • - - - - • - - - - K A P N I V + -

17. La polarizzazione inversa • mette in moto le cariche minoritarie, che sono poche; la corrente Io che scorre in un diodo polarizzato inversamente è, perciò, molto piccola e quasi sempre viene trascurata; essa cresce all’aumentare della temperatura. • - • - + + + + K A P N Io V - +

18. Limiti di funzionamento • La corrente che attraversa un diodo polarizzato direttamente non deve superare un certo valore, tipico del dispositivo; altrimenti la potenza che esso dissipa (Pd=IVak) diventa eccessiva ed esso si brucia per effetto Joule

19. Per limitare la corrente che attraversa il diodo • si inserisce, in serie ad esso, una resistenza R che determina una corrente:

20. La polarizzazione inversa non deve • superare un certo valore tipico del diodo (la tensione di breakdown); oltrepassata questa tensione, il numero di cariche minoritarie cresce bruscamente e, con esse, la corrente inversa; questo fenomeno, nei diodi normali, è distruttivo

21. Nel primo modello, noto come modello del diodoideale, si assume che il diodo polarizzato inver-samente sia un tasto aperto (I=0); mentre il diodo polarizzato diret-tamente è considerato un cortocircuito (Vak=0) Del diodo si danno tre modelli semplificativi I Vak

22. Se utilizziamo il 1o modello • Nell’analisi circuitale, il diodo polarizzato direttamente va sostituito con un cortocircuito

23. Mentre, il diodo polarizzato inversamente • Nell’analisi circuitale, va sostituito con un circuito aperto

24. Il diodo polarizzato inversamente è trattato sempre come un tasto aperto Si assume che la caduta di tensione ai capi di un diodo in conduzione rimanga costante al valore di 0.7V Nel secondo modello semplificativo I 0.7V Vak

25. Nel secondo modello • Il diodo polarizzato inversamente è sempre sostituito da un tasto aperto • Il diodo polarizzato direttamente, nell’analisi circuitale, è sostituito da una “controbatteria” di valore 0.7V

26. Il diodo polarizzato inversamente è trattato sempre come un tasto aperto Si assume che la caduta di tensione ai capi del un diodo in conduzione cresca poco, ma linearmente con lacorrente ( e non esponenzialmente come nella realtà) Nel terzo modello semplificativo I 0.7V Vak

27. Nel terzo modello • Il diodo polarizzato inversamente è sempre sostituito da un tasto aperto • Il diodo polarizzato direttamente, nell’analisi circuitale, è sostituito da una “controbatteria” di valore 0.7V con in serie la piccola resistenza differenziale del diodo, supposta costante

28. Nei tre modelli • Il comportamento del diodo è stato linearizzato a tratti • Infatti la sua caratteristica, esponenziale, è stata approssimata ad un’altra costituita da due semirette; una descrive il diodo in polarizzazione inversa (diodo interdetto); l’altra descrive il diodo polarizzato direttamente

29. Il punto di funzionamento del diodo • È il punto individuato nel piano I-Vak, dalla corrente I che attraversa il diodo, e dalla tensione Vak ai suoi capi • Nelle reti in continua il punto di funzionamento Q non cambia posizione nel tempo; perciò viene chiamato punto di riposo

30. Il punto di riposo del diodo • Può essere determi-nato analiticamente, applicando uno dei modelli visti, spesso il secondo

31. 0ppure può essere determinato graficamente • Basta risolvere, per via grafica, il sistema I

32. Osserviamo che • la seconda equazione è quella caratteristica del diodo • la prima non è altro che il 2o principio di Kirchoff applicato alla maglia contenente il diodo; essa può essere riscritta nel modo seguente:

33. Notiamo ancora che • Il luogo dei punti del piano I/Vak che soddisfano la seconda equazione è la caratteristica del diodo

34. del piano I/Vak che soddisfano la prima equazione, cioè il 2oprincipio di Kirchoff è una retta Essa è chiamata retta di carico; il suo coefficiente angolare (o pendenza) è: Mentre il luogo dei punti

35. l’asse I nel punto A; questo punto ha Vak=0 e perciò in questo punto I=E/R l’asse Vak nel punto B; questo punto ha I=0; perciò, in questo punto Vak=E La retta di carico interseca I E/R A E Vak B

36. Unendo A e B si ottiene • La retta di carico nel piano I/Vak, dove troviamo anche la caratteristica del diodo

37. ovviamente sulla caratteristica del dispositivo e anche sulla retta di carico, perché il diodo è inserito in una maglia e il 20K deve essere soddisfatto Il punto di riposo è perciò l’intersezione tra la caratteristica e la retta di carico Il punto di riposo Q del diodo deve stare

38. Raddrizzatori • A semionda e a onda intera

39. I raddrizzatori a semionda • smistano sul carico solo una delle due semionde del segnale di ingresso, bloccando l’altra

40. I raddrizzatori ad onda intera • smistano sul carico una semionda del segnale di ingresso mentre ribaltano l’altra

41. In ogni caso • la tensione uscente da un raddrizzatore è unipolare e, perciò, a valor medio diverso da zero. I raddrizzatori sono impiegati, insieme ad altri blocchi, per convertire una tensione ac, come quella di rete, in una tensione continua (dc) utile per alimentare le apparecchiature elettroniche. Essi hanno anche tante altre applicazioni

42. I raddrizzatori spesso • sono preceduti da un trasformatore; di solito esso è utilizzato per ridurre la tensione ac di rete (220Vrms, 50Hz) I1 I2

43. Le equazioni del trasformatore sono I1 I2

44. Osserviamo che • n è il rapporto spire del trasformatore • la potenza al secondario è uguale a quella a primario, almeno idealmente; in realtà, la potenza al secondario è un po’ minore di quella a primario I1 I2

45. Nel trasformatore con secondario a presa centrale • il punto centrale dell’avvolgimento secondario è accessibile e, di solito, è posto a massa • N2 indica il numero complessivo di spire dell’avvolgimento secondario.

46. Le equazioni V2

47. Le forme d’onda • Ai due estremi del secondario troviamo due tensioni uguali in modulo e in opposizione di fase; il picco di ciascuna è la metà del picco di V2

48. Raddrizzatore a semionda • E’ costituito da un diodo e da un carico resistivo • Per studiare il comportamento di questo raddrizzatore, e anche di quelli ad onda intera, adotteremo il modello del diodo ideale

49. durante la semionda positiva di V2, • il diodo è polarizzato direttamente, quindi è un cortocircuito e, perciò, Vout=V2 + V2 _

50. durante la semionda negativa di V2, • il diodo è polarizzato inversamente, quindi è un tasto aperto e, perciò, Vout=0 _ V2 +