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 I D e la tensione del diodo V D. Da notare che il voltmetro V misura la tensione ai capi del diodo V D. Invece l'amperometro A misura la corrente del diodo I D più la corrente del voltmetro I V ; quindi per ricavare I D si usa la seguente formula: I D = I A - I V. Fatto un numero adeguato di misure si riportano i valori su un diagramma e la caratteristica diretta è la seguente: V γ APPUNTI DI ELETTRONICA - DIODO - rel. 12/05 Prof. Domenico Di Stefano pag. 1/9
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 I D e la tensione V D. Fatto un numero adeguato di misure si riportano i valori su un diagramma e la caratteristica inversa è la seguente: (µa) I 0 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 I 0, detta corrente inversa di saturazione. RETTA DI CARICO Consideriamo il seguente circuito: APPUNTI DI ELETTRONICA - DIODO - rel. 12/05 Prof. Domenico Di Stefano pag. 2/9
Il generatore di tensione E fornisce una tensione che polarizza direttamente il diodo. Applicando il secondo principio di Kirchhoff delle tensioni otteniamo: E = V D + R I D (1) Dove V D è la caduta di tensione ai capi del diodo e R I D la caduta di tensione ai capi di R. Tale equazione e di primo grado e le variabili sono V D ed I D, 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 Vd E Per tracciarla abbiamo calcolato le intersezioni con gli assi dell equazione (1), cioe : per = 0 (asse delle ascisse) Vd = E per Vd = 0 (asse delle ordinate) = 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 V D, 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 I D rappresenta nella scala delle correnti la reale corrente del diodo. APPUNTI DI ELETTRONICA - DIODO - rel. 12/05 Prof. Domenico Di Stefano pag. 3/9
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 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 V γ 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 APPUNTI DI ELETTRONICA - DIODO - rel. 12/05 Prof. Domenico Di Stefano pag. 4/9
V γ 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: t Vu t APPUNTI DI ELETTRONICA - DIODO - rel. 12/05 Prof. Domenico Di Stefano pag. 5/9
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 I 0. RADDRIZZATORE AD UNA SEMIONDA CON FILTRO CAPACITIVO C il condensatore quando la sale sino al suo valore massimo Vm si carica, quando la scende di valore è costretto a scaricarsi con legge esponenziale su R e la tensione in uscita è inferiore al valore massimo V M 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 V i maggiore della tensione ai capi del condensatore, V C = V u, il diodo è polarizzato direttamente e il condensatore si carica di nuovo con tensione crescente fino al valore massimo V M. I diagrammi sono i seguenti: V M t Vo Vu Vu con filtro Vu senza filtro Vo t APPUNTI DI ELETTRONICA - DIODO - rel. 12/05 Prof. Domenico Di Stefano pag. 6/9
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 1 r % = * 100 2 3 f C R 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 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 D 1 è polarizzato direttamente e in uscita abbiamo una tensione che segue la semionda positiva; il diodo D 2 è polarizzato inversamente, quindi non conduce. Durante la semionda negativa il diodo D 2 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 D 1 è interdetto. Le forme d'onda sono le seguenti: APPUNTI DI ELETTRONICA - DIODO - rel. 12/05 Prof. Domenico Di Stefano pag. 7/9
Vu Il valore massimo della tensione di uscita sara : V u max = K * V i 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 N 1 del primario ed N 2 del secondario: K e circa pari a N 1 /N 2 ). 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 D3 D4 R1 E' un raddrizzatore a due semionde. Durante la semionda positiva sono polarizzati direttamente i diodi D 2 e D 3, invece sono polarizzati inversamente i diodi D 1 e D 4.La corrente segue il seguente percorso: D 2, R u, massa, D 3, generatore di tensione. APPUNTI DI ELETTRONICA - DIODO - rel. 12/05 Prof. Domenico Di Stefano pag. 8/9
Durante la semionda negativa sono polarizzati direttamente i diodi D 4 e D 1, invece sono polarizzati inversamente i diodi D 2 e D 3.La corrente segue il seguente percorso: D 4, R u, massa, D 1, generatore di tensione. Le forme d'onda sono le seguenti: 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: 1 r % = * 100 4 3 f C R 1 dove f e la frequenza della tensione di ingresso. APPUNTI DI ELETTRONICA - DIODO - rel. 12/05 Prof. Domenico Di Stefano pag. 9/9