Diodi

Il termine diodo risulta dall'insieme di + (elettr)odo, quindi due elettrodi, ed ha origine dal diodo termoionico (1873) in cui un elettrodo, il catodo (dal greco discesa), riscaldato emette elettroni; il secondo elettrodo, l'anodo (salita), rispetto al catodo può essere polarizzato:

• positivamente e gli elettroni vengono attratti ed entrano in circolo attraverso la batteria: il componente conduce corrente.

• negativamente e gli elettroni rimangono in prossimità del catodo e la corrente nel circuito è nulla.

Quindi il dispositivo ha la proprietà di far scorrere la corrente in un solo senso, dall'anodo verso il catodo, in quanto gli elettroni (cariche negative) scorrono dal catodo verso l'anodo.

Pochi anni prima era stato scoperto, anche se non compreso, il comportamento unidirezionale della giunzione metallo semiconduttore (a punta di contatto) ma la valvola termoionica, concettualmente più semplice, ebbe il sopravvento perchè fu seguita dalla scoperta del triodo come amplificatore di segnali. Solo nel 1940 fu scoperta la giunzione PN come cella fotovoltaica mentre il primo amplificatore a semiconduttore, il transistore, dovette attendere il 1947 con Bardeen e Brattain (a punta di contatto). Nel 1948 Shockley scoprì il BJT, più robusto e realizzabile, ed in seguito il JFET. Fu Shockley che diede vita alla Silicon Valley.

DIODO IDEALE

La definizione del comportamento ideale fornisce un modello di prima approssimazione e una migliore comprensione del funzionamento.

Si utilizzano i versi di tensione e corrente come in figura. Il simbolo adottato indica chiaramente l'unico verso possibile per la corrente.

Idealmente il componente presenta due condizioni di funzionamento:

• cortocircuito con V=0 e I>0, polarizzazione diretta, ON, forward, la corrente scorre dall'anodo verso il catodo

• circuito aperto con I=0 e V<0, polarizzazione inversa, OFF, reverse, la tensione V è negativa

Anche nel caso ideale è opportuno fissare i valori massimi assoluti:

• IFmax (massima corrente diretta) nel caso ON

• VBR (tensione di breakdown, massima tensione inversa) nel caso OFF

Graficamente la caratteristica evidenzia efficacemente le due condizioni.

Si osserva che il comportamento è non lineare.

ANALISI DI SEMPLICI CIRCUITI CON DIODI

Si ipotizza una delle due condizioni, V=0 oppure I=0;

si sostituisce al diodo il modello relativo, rispettivamente cc o ca;

si calcola la seconda grandezza che deve risultare compatibile con l'ipotesi, rispettivamente I>0 oppure V<0. Se questo non è verificato significa che l'ipotesi iniziale è errata.

Nel caso di circuiti con un solo generatore e un solo diodo è semplice prevedere lo stato di conduzione: per lo stato ON il terminale positivo della batteria deve essere dalla parte dell'anodo. Se il circuito è più complicato bisogna procedere con l'esperienza, i tentativi o con metodi particolari (4 anno).

DIODO REALE A SEMICONDUTTORE

MODELLI LINEARI A TRATTI DEL DIODO REALE

Si pone l'esigenza di approssimare il comportamento non lineare del diodo reale con un modello più semplice.

Nel caso OFF si può assumere con buona approssimazione che il diodo sia un ca.

Nel caso ON, si possono utilizzare modelli più accurati del cc:

• una batteria (per simulare la tensione diretta costante) pari alla tensione di soglia e che si oppone sempre alla corrente diretta.

• una batteria in serie ad una piccola resistenza (tensione diretta quasi costante, che aumenta di poco all'aumentare della corrente)

Quindi l'intera caratteristica non lineare è stata approssimata da due tratti di retta che si congiungono in corrispondenza della tensione di soglia.

La tecnica utilizzata ha carattere generale. Tutti i componenti, diodi, transistori ecc, ma anche qualunque sistema che presenta un comportamento elettrico, ad es. i neuroni, si possono modellizzare in modo approssimato utilizzando i componenti base dell'elettrotecnica: generatori di tensione e corrente (indipendenti e dipendenti), resistenze, condensatori, induttori.

Usando componenti lineari eventuali comportamenti non lineari possono essere soltanto linearizzati ( ad es. a tratti come nel caso del diodo).

VERIFICA DI INTEGRITA'

Per controllare se il diodo è integro basta utilizzare il tester in modalità diodo, o di misura della resistenza: scambiando i puntali la misura effettuata deve essere drasticamente diversa; in tal modo si identificano anche i terminali di anodo e catodo: in polarizzazione diretta il puntale rosso è sull'anodo.

I diodi led si dovrebbero illuminare debolmente.

PROGETTO DELLA RESISTENZA DI LIMITAZIONE

Nello stato ON la corrente diretta è limitata solo dal circuito esterno. Inoltre circolando corrente, aumenta la temperatura con il rischio di un aumento ulteriordella corrente circolante.

Ci sono due alternative:

• si alimenta il diodo con un generatore di corrente costante; è la soluzione ottimale, anche se la più complicata, e si utilizza per led costosi, di illuminazione, in cui il controllo termico è vitale.

• si inserisce una resistenza esterna in serie;

In quest'ultimo caso considerando una semplice maglia e la relativa equazione alla maglia, vedi ES. 1 caso a, per dimensionare R bisogna conoscere: la tensione di alimentazione E, la caduta Vd sul diodo, la corrente desiderata Id.

Risulta R = (E-Vd) / Id; quindi bisogna scegliere il valore commerciale più vicino, meglio se leggermente superiore.

TIPI DI DIODI E APPLICAZIONI

L'unidirezionalità, la non linearità e i vari fenomeni fisici della giunzione PN, consentono diverse applicazioni:

• diodi di segnale per l'elaborazione di piccoli segnali e semplici porte logiche

• raddrizzatori per rendere la corrente unidirezionale (un solo verso)

• limitatori per proteggere da sovratensioni e scariche elettrostatiche

• zener per stabilizzare la tensione e generare tensioni costanti di riferimento (conosciute con elevata precisione)

• led

• fotorivelatori

• accoppiatori ottici per la separazione galvanica dei circuiti

• condensatori variabili con la tensione inversa applicata

• sensori di temperatura

• celle fotovoltaiche

• ....

In questa fase introduttiva utilizzeremo i diodi per

• realizzare la famiglia logica DL e verificarne i limiti

• utilizzare i diodi led per un semplice output digitale

• svolgere esercizi di elettrotecnica non fini a se stessi ma con un risvolto applicativo all'elettronica.

ES. 1

ES. 2