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Diodi

 

Il diodo come raddrizzatore

Un componente elettronico dal comportamento molto particolare è il diodo. Abbiamo visto che applicando una certa tensione ad una resistenza, la corrente che la attraversa corrisponde al rapporto fra la tensione applicata ed il valore della resistenza stessa; questa legge non vale per il diodo.


Figura 1

Dal punto di vista fisico-strutturale, il diodo (figura 1, in alto) è costituito da una giunzione "p-n", ovvero da un semiconduttore contenente, adiacenti l'una all'altra, due regioni, drogate una con impurità di tipo "p" ed una con impurità di tipo "n".
La regione P, essendo drogata con atomi in difetto di elettroni, tende a catturare elettroni: come si dice, presenta delle buche o lacune.
La regione N, essendo drogata con atomi in eccesso di elettroni, tende a perdere gli elettroni in eccesso.
Quando la giunzione PN è polarizzata inversamente (figura 1, al centro), ovvero al lato P risulta applicata una tensione negativa ed al lato N una positiva, sia le lacune della zona P che gli elettroni liberi della zona N vengono attirati dal campo elettrico applicato, per cui la zona centrale si svuota; in tale zona, che viene detta "zona di deplezione", si crea una barriera di potenziale che impedisce il passaggio della corrente; circola soltanto una debolissima corrente dovuta a cariche minoritarie, detta "corrente di drift. Tale corrente è dell'ordine di qualche µA per i diodi al germanio, e di qualche nA per i diodi al silicio.
Quando la giunzione PN è polarizzata direttamente (figura 1, in basso), le lacune della zona P vengono sospinte verso la zona centrale della giunzione dalla polarità positiva applicata; analogamente, gli elettroni liberi della zona N vengono sospinti verso la zona centrale della giunzione dalla polarità negativa; se la tensione è sufficiente a vincere la barriera di potenziale esistente, le buche e gli elettroni si combinano fra loro, dando origine ad una corrente, detta corrente di diffusione, che può anche diventare molto intensa. La tensione necessaria per innescare il flusso di tale corrente è di 0,2 - 0,3 V nel caso di giunzioni al Germanio e di 0,5 V nel caso di giunzioni al Silicio.


Figura 2


Il diodo realizzato con una giunzione PN come appena descritto, viene rappresentato col simbolo che si vede in figura 2 al centro: il lato corrispondente alla zona P viene chiamato "anodo"; il lato corrispondente alla zona N viene chiamato "catodo". Sotto al simbolo è riportata l'immagine di un diodo reale: la fascia argentea indica il catodo; nell'uso normale del diodo, la corrente nel diodo fluisce dall'anodo verso il catodo

Nel suo impiego pratico, il comportamento del diodo è rappresentato nel grafico della figura 3.


Figura 3

La tensione applicata al diodo si legge sull'asse X (quello orizzonate), mentre sull'asse Y (quello verticale) si legge la corrente che lo attraversa.
Con polarizzazione diretta, ovvero quando all'anodo è applicata una tensione positiva rispetto al catodo, si osserva che non passa corrente fino al valore di tensione VT, detto valore di soglia; se la tensione applicata al diodo viene aumentata oltre tale valore, si verifica il passaggio di una corrente tanto più alta quanto maggiore è la tensione applicata.
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". Poichè 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.

Grazie alle caratteristiche fin qui descritte, il diodo risulta utilissimo nel funzionamento come "raddrizzatore"; inserendo per esempio un diodo in un circuito percorso da corrente alternata sinusoidale, si verifica che la corrente passa nel circuito solo quando ha la giusta polarità, mentre viene bloccata ogni volta che la polarità si inverte. In pratica, tutte le semionde negative della corrente alternata vengono eliminate, per cui, a valle del diodo, si ottiene una tensione costituita dalle sole semionde positive (tale tensione viene detta "pulsante"). Il passaggio dalla corrente alternata alla corrente continua viene descritto in modo dettagliato in altre pagine di questo sito.

I diodi raddrizzatori 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.
Le principali grandezze ch ecaratterizzano un diodo sono:
- Maximum reverse voltage: la massima tensione inversa che il diodo può sopportare, senza che si verifichi l'effetto valanga
- Rated forward current: la massima corrente (valore medio) che può attraversare il diodo senza distruggerlo; dipende dalla grandezza del chip, e dalla sua capacità di trasmettere all'esterno il calore prodotto
- Maximum forward voltage drop: è la massima caduta di tensione ai capi del diodo e dipende dalla corrente che lo attraversa (in senso diretto)
- Maximum leakage current: è la corrente di dispersione che fluisce nel diodo quando viene collegato (polarizzato) in senso inverso (purchè la tensione applicata non sia abbastanza elevata da causare l'effetto valanga)
- Maximum reverse recovery time: è il tempo che occorre al diodo per passare dallo stato oN allo stato OFF, e cioè dalla conduzione alla non conduzione; è in pratica la "switching speed", cioè la velocità di commutazione, e dipende dalle dimensioni e dalle caratteristiche del chip.


Figura 4

La tensione che cade ai capi del diodo quando questo conduce in senso diretto (maximum forward voltage drop), dipende dal valore della corrente che fluisce nel diodo: come si vede nel grafico a lato, tale caduta di tensione vale circa 0,6V nel momento in cui il diodo comincia a condurre (I=0,01A) e diventa, per esempio, di 0,9V quando la corrente che passa nel diodo è I=0,75A

 

Tensione di lavoro e massima corrente diretta di alcuni diodi di uso comune

tipo di diodo

massima tensione inversa

massima corrente diretta

1N4001

50 V

1 A

1N4002

100 V

1 A

1N4003

200 V

1 A

1N4004

400 V

1 A

1N4005

600 V

1 A

1N4006

800 V

1 A

1N4007

1000 V

1 A

1N5401

100 V

3 A

1N5404

400 V

3 A

6A4

400 V

6 A