Diodi speciali

Diodi Zener

I diodi Zener sono un particolare tipo di semiconduttori che, sfruttando la conduzione inversa della giunzione, consentono di ottenere valori di tensione $Vz$ costanti una volta raggiunta la corrente $Iz$ di funzionamento.

Questa caratteristica è utilizzata per la stabilizzazione delle tensioni continue così come mostrato in figura 1 ; in essa si nota come per il diodo $Z$ venga adottato un simbolo diverso da quello impiegato per i diodi rettificatori.

figura 1

Il circuito consente di ricavare una tensione costante $Vz$ partendo da una tensione $Vg$ non stabilizzata purché sia sempre verificata la condizione:

$Vg>Vz$

Il funzionamento del circuito di stabilizzazione è semplice:

La tensione continua $Vg$ del generatore, tramite la resistenza $R$, fa scorrere nel diodo una corrente che, se raggiunto il valore $Iz$, porta ai capi di $Z$ una tensione costante $Vz$ detta “tensione di Zener”; una volta raggiunto il valore di corrente $Iz$, ulteriori aumenti della tensione di $Vg$ portano ad incrementi della corrente nel diodo, ma la tensione $Vz$ resta ad ampiezza costante .

L’incremento della corrente $Iz$, a seguito della variabilità di $Vg$, è tollerabile fino a quando è valida la relazione:

$(Iz+incremento)\cdot Vz\ <Pd$

dove $Pd$ è la potenza massima dissipabile dal diodo Zener .

I diodi Zener disponibili sul mercato offrono le seguenti caratteristiche:

La $Vz$ è selezionabile in un ventaglio di valori compreso tra $Vz=2\ V\ e\ Vz=75\ V.$

La $Iz$ è selezionabile tra valori compresi tra $1\ mA\ e\ 100\ mA.$

La $Pd$ è selezionabile da frazioni a decine di Watt.

Esempio di calcolo

Un esempio d’applicazione di un diodo Zener è utile per prendere confidenza con il metodo di calcolo del circuito:

Supponiamo di voler realizzare un circuito di stabilizzazione per ottenere, su di un carico $Rc=15000\ \Omega$, una tensione costante $Vu=+15\ V$ disponendo di:

• generatore di corrente continua non stabilizzata che fornisce una tensione $Vg=+30\ V\ +/-20\%$

• diodo Zener tipo BZV55C15

collegati così come è mostrato in figura 2

figura 2

Da un esame dei dati iniziali risulta:

• La tensione $Vg$ è variabile tra $Vgmin=+24\ V\ a\ Vgmax=+36\ V$

• Il carico $Rc$ richiede una tensione $Vu=+15\ V$

• Dallo stabilizzatore è richiesta una corrente $Ic=Vu/Rc=15\ V/15000\ \Omega =1\ mA$

• Le caratteristiche del diodo BZV55C15 sono:

$Vz=15\ V$

$Iz=5\ mA$

$Pd=0.5\ W$

Sulla base dello schema elettrico di figura 2 e dei dati sopra riportati procediamo al dimensionamento del circuito:

Calcolo della resistenza di limitazione di corrente $R:$

La tensione non stabilizzata $Vg=+30\ V\ +/-\ 20\%$ è applicata a monte del circuito e tende a far scorrere nel diodo $Z$ una corrente $Iz$ e nel carico una corrente $Ic$ pari a:

$Iz+Ic=(Vg{-}Vz)/R$

Il valore di $Iz=5\ mA$ deve essere raggiunto per la tensione minima di $Vg$:

$Vgmin=+30\ V{-}20\%(+30\ V)=+24\ V$ scriveremo pertanto

$5\ mA+1\ mA=(+24\ V{-}15\ V)/R$

da cui $R=1500\ \Omega$

La resistenza dovrà dissipare la potenza: $Pr=[Vg+20\%(Vg){-}Vz]^{2}/R=(36{-}15)^{2}/1500\ \Omega =0.29\ W$

Verifica della dissipazione nel diodo Zener

Le condizioni di massima dissipazione nel diodo Zener si avranno per il valore massimo di $Vg$ ed in assenza del carico $Rc,$ queste si calcolano come segue:

Essendo $Vgmax=+30\ V+20\%(+30\ V)=+36\ V$

la corrente $Iz$ salirà da $5\ mA$, per $Vgmin=+24\ V$ ed in assenza di carico, a

$Iz+incremento=(+36\ V{-}15\ V)/1500\ \Omega =14\ mA$

e di conseguenza la potenza massima da dissipare diventerà:

$Pmax=(Iz+incremento)\cdot Vz=14\ mA\cdot 15\ V=0.21\ W$

Compatibile con i dati costruttivi dello Zener che indicano una $Pd=0.5\ W.$

Data la caratteristica del diodo Zener la tensione ai suoi capi si manterrà “costante” a $+15\ V$ sia quando la tensione di $Vg$ sarà di $+24\ V$ sia quando detta tensione sarà di $+36\ V.$

Diodi emettitori di luce (LED)

Particolari tipi di diodi hanno la proprietà di emettere luce quando attraversati da corrente elettrica, questi componenti sono detti LED ( Light Emitter Diode); questi semiconduttori hanno una bassa inerzia nelle fasi d’accensione e spegnimento che ne differenzia il comportamento rispetto alle lampade ad incandescenza.

I LED sono impiegati come indicatori luminosi in molteplici circuiti elettronici come avvisatori di cambiamento di stato; sono prodotti in un’ampia gamma di caratteristiche quali:

• Colorazioni:

(singole) -rosso –giallo –verde –blu (combinate) -verde/rosso – ambra – tricolore.

• Dimensioni:

(tipi a sezione circolare) da $1.8\ mm\ a\ 7.5\ mm$ (tipi a sezione rettangolare ) da $5\ \times \ 5\ a\ 7\ \times \ 2.5\ mm$ e più (tipi multipli) da $8\ a\ 20\ mm$

• Montaggio:

da pannello- a saldare in verticale- da saldare superficiale

Caratteristiche ottiche: luminosità normale - superluminosità (fascio d’emissione della luce) direttivo- ad angolo ampio- luce diffusa (angoli d’emissione della luce) da $35^{\circ }\ a\ 60^{\circ }$ ed oltre

Nell’impiego dei LED si devono considerare le loro caratteristiche elettriche che, come i diodi di rettificazione, sono definite principalmente dalla corrente e dalla tensione di lavoro, rispettivamente $If\ e\ Vf$; la produzione offre una ampia gamma di valori di $If$ , da $2\ a\ 40\ mA$, in base alla intensità della luce generata ( generalmente si và da $5\ a\ 25\ mA$ per il colore rosso, da $10\ a\ 40\ mA$ per i colori verde e giallo). I valori di $Vf$ variano, secondo i tipi, da $1.8\ volt\ a\ 6volt$.

I LED, di solito sono costruiti per il funzionamento in corrente continua, soltanto alcuni tipi, con doppia giunzione, sono costruiti per correnti alternate; in entrambi i casi il loro impiego deve prevedere un controllo della corrente If per non distruggere il diodo. Il dimensionamento di un circuito con LED è cosa estremamente semplice; vediamone un esempio:

Esempio

Si debba utilizzare un LED per una segnalazione di colore blu con un angolo d’emissione luminosa non superiore a $20$°, sia disponibile una tensione continua d’alimentazione $Val=+15\ V.$

Scelta del componente e dimensionamento del circuito:

Un LED con le caratteristiche richieste è, tra gli innumerevoli disponibili, il tipo HP-blu- $15$° che ha il colore voluto e l’angolo d’emissione inferiore ai $20$° richiesti; altri dati forniti per il dimensionamento del circuito sono: $If=20\ mA\ ;\ Vf=3.6\ V.$

Per il montaggio del diodo è sufficiente un solo resistore per la limitazione della corrente $If$ secondo il circuito di figura 3 nel quale il diodo LED è tracciato con il caratteristico simbolo \\:

figura 3

Il valore di$R$ si calcola con l’espressione

$R=(Val{-}Vf)/If$

avremo quindi:

$R=(15\ V{-}3.6\ V)/20\ mA=570\ \Omega$ arrotondabile a $680\ \Omega$

La resistenza dovrà dissipare una potenza di $(15\ V{-}3.6\ V)^{2}/680\ \Omega =0.19\ W$