Sui diodi in generale e loro applicazioni di base

Area d'applicazione

I diodi, da ritenersi componenti passivi, trovano applicazione per:

• rivelazione dei segnali di bassa ed alta frequenza
• raddrizzamento delle tensioni alternate di bassa ed alta potenza
• assorbimento e smorzamento dei transitori di tensione
• svolgimento di funzioni logiche elementari
• generazione di scalini di tensione
• limitazione di tensioni
• commutazione

Informazioni di base

Il diodi, il cui simbolo grafico riportato in figura 1a, sono caratterizzati da due connessioni elettriche di una giunzione a semiconduttore:

figura 1a

Questi componenti sono costruiti in molteplici forme e dimensioni così come mostrato, ad esempio, in figura 1b:

figura 1b

I diodi sono caratterizzati da molteplici parametri tra i quali evidenziamo:

$If$ = Corrente massima di lavoro

$Vr$ = Picco di tensione inversa

$Fo$ = Frequenza di lavoro

La caratteristica dei diodi è di presentare, per tensioni positive, bassa resistenza di conduzione nel senso anodo – catodo e resistenza molto alta nel senso catodo – anodo; ovvero di presentare, per tensioni negative, resistenza molto alta di conduzione nel senso anodo – catodo e bassa resistenza nel senso catodo – anodo.

I diodi possono avere giunzioni al germanio o giunzioni al silicio: le prime consentono il passaggio di corrente soltanto se la tensione supera il livello di circa $0.4\ Volt$, le seconde consentono il passaggio di corrente soltanto se la tensione a loro applicata è superiore a circa $0.7\ Volt$

Per le ragioni di cui sopra quando un diodo è collegato in un circuito a corrente alternata con l’anodo verso la sorgente esso consente il passaggio di corrente solo nei periodi positivi e non consente, praticamente, il passaggio della corrente nei semiperiodi negativi; la figura 2 mostra il funzionamento del diodo.

figura 2

Viceversa quando un diodo è collegato in un circuito a corrente alternata; con il catodo verso la sorgente, esso consente il passaggio di corrente soltanto nei periodi negativi e non consente, praticamente, il passaggio della corrente nei semiperiodi positivi; la figura 3 ne mostra il funzionamento.

figura 3

I diodi si possono dividono in due categorie:

• diodi per correnti alternate deboli in bassa ed alta frequenza
• diodi per correnti alternate forti a bassa frequenza

I diodi sono inoltre caratterizzati dalla massima tensione inversa, dalla corrente massima di conduzione, dalla potenza dissipabile e da molti altri parametri.

La tensione inversa in un diodo è indicativa del massimo valore di picco accettabile, nella fase di non conduzione, mostrato nella figura 4 con le zone grigie, picco di tensione che non deve mai superare i dati specifici, pena la distruzione del semiconduttore.

figura 4

La corrente massima di conduzione, che scorre nel diodo, deve essere limitata dal circuito connesso al diodo stesso così come è indicato in figura 5

figura 5

detta corrente può essere limitata, sia dalla resistenza $Rg$ del generatore, sia dalla resistenza $Ru$ dell’utilizzatore o da entrambe.

Diodi per correnti alternate deboli in bassa frequenza

I diodi per correnti alternate deboli in bassa frequenza, detti anche diodi di segnale, sono impiegati in numerose applicazioni nei circuiti analogici.

Vediamone, in figura 6, una caratteristica applicazione che evidenzia molto bene il comportamento di questo semiconduttore in un circuito di limitazione d’ampiezza:

figura 6

Il circuito di figura 6, detto limitatore, ha lo scopo di condizionare un segnale sinusoidale, $Ss$, d’ingresso, di ampiezza variabile, in un segnale d’uscita, $SL$, a profilo quasi rettangolare, ad ampiezza costante, che riproduce il segnale d’ingresso soltanto nella durata dei suoi semiperiodi.

L’ampiezza del segnale d’uscita è dell’ordine di +/-$0.7$ Vpicco.

Il funzionamento del limitatore è il seguente:

La tensione sinusoidale $Ss$, attraverso la resistenza $R$, porta in conduzione nei semiperiodi positivi il diodo a valle mentre, nei semiperiodi negativi porta in conduzione il diodo a monte.

I diodi una volta entrati in conduzione fissano la tensione ai loro capi a +$0.7\ V$ per D1 e a -$0.7$ per D2; ad incrementi dell’ampiezza di $Ss$ non corrispondono significativi aumenti dell’ampiezza di $SL$ ma soltanto incrementi di corrente attraverso D1 e D2.

Supponiamo ora di voler realizzare un circuito di limitazione d’ampiezza per una tensione di segnale con le seguenti caratteristiche:

Dati del generatore di segnali:

generatore di corrente alternata a $10000\ Hz$

tensione variabile da $20\ Veff$ (minimo) a $100\ Veff.$ (massimo)

resistenza del generatore $Rg=100\ \Omega$

Dati del circuito:

resistenza di limitazione di corrente $R=2200\ \Omega$

Dai dati del generatore e del circuito si evince:

La funzione di limitatore deve essere affidata ad una coppia di diodi in grado di lavorare alla frequenza di $10000\ Hz.$

I diodi devono essere in grado di sopportare una corrente di picco massima pari a:

$Ip=100\ Veff\cdot 1.41/R=100\ Veff.\cdot 1.41/2200\ \Omega =64\ mA$ picco

I diodi non necessitano del controllo del dato di “tensione inversa” perché quando conduce D1 questo, limitando la tensione a +$0.7\ V$, protegge dall’inversa D2, viceversa quando conduce D2 questo, limitando la tensione a - $0.7\ V,$ protegge dall’inversa D1

Sulla base dello schema elettrico e dei dati sopra computati procediamo alla ricerca del tipo di diodi necessari al nostro scopo:

I diodi D1 e D2 possono essere scelti del tipo 1N536 che ha le seguenti caratteristiche:

$If=750\ mA$.

$Vr=50\ V$

$Fo=100\ kHz$

Osservazione:

Il picco di corrente dichiarato dal costruttore è, come voluto, superiore al picco di $64\ mA$ richiesto dal circuito,

la tensione dichiarata è superiore a quella richiesta dato che i diodi sono protetti l’un l’altro, la frequenza dichiarata è nettamente superiore a quella impiegata nel circuito.

Un ulteriore esempio è utile per orientare alla scelta dei parametri dei diodi:

In figura 7 è mostrato un secondo circuito di limitazione parziale che ha il compito di limitare ad ampiezza costante soltanto i picchi negativi del segnale.

figura 7

Il circuito di figura 7 ha lo scopo di condizionare un segnale sinusoidale, $Ss,$ d’ingresso, di ampiezza variabile, in un segnale d’uscita, $SL$, nel quale vengono limitati ad ampiezza costante soltanto i semiperiodi negativi del segnale.

L’ampiezza del segnale d’uscita è uguale ad $Ss$ nei semiperiodi positivi e dell’ordine di -$0.7\ Vpicco$ nei semiperiodi negativi.

Il funzionamento del limitatore è il seguente:

la tensione sinusoidale $Ss,$ attraverso la resistenza $R,$ porta in conduzione nei semiperiodi negativi il diodo D, mentre nei semiperiodi positivi si trova inalterata all’uscita della resistenza $R.$

Il diodo una volta entrato in conduzione fissa la tensione ai suoi capi a –$0.7\ V$ ; ad incrementi dell’ampiezza di $Ss$ non corrispondono significativi aumenti di questo livello, mentre l’ampiezza dei semiperiodi positivi di $Ss$ varia come varia $Ss$stesso.

Supponiamo ora di voler realizzare un circuito di limitazione parziale per una tensione di segnale con le seguenti caratteristiche:

Dati del generatore di segnali:

generatore di corrente alternata a $10000\ Hz$

tensione variabile da $20\ Veff$ minimo a $100\ Veff.$ massimo

resistenza del generatore $Rg=100\ \Omega$

Dati del circuito:

resistenza di limitazione di corrente $R=2200\ \Omega$

Dai dati del generatore e del circuito si evince:

La funzione di limitatore deve essere affidata ad un diodo in grado di lavorare alla frequenza di $10000\ Hz.$

Il diodo deve essere in grado di sopportare una corrente di picco massima pari a:

$Ip=100\ Veff\cdot 1.41/R=100\ Veff.\cdot 1.41/2200\ \Omega =64\ mA$ picco

Il diodo nei semiperiodi di non conduzione è sottoposto ad una tensione positiva pari al picco di $Ss$ pertanto deve poter sostenere una tensione inversa pari a $100\ Veff\cdot 1.41=141\ V$ picco.

Sulla base dello schema elettrico e dei dati sopra computati procediamo alla ricerca del tipo di diodo necessario al nostro scopo:

il diodo D può essere scelto del tipo 1N538 che ha le seguenti caratteristiche:

$If=750\ mA$

$Vr=200\ V$

$Fo=100\ kHz$

Osservazioni:

Il picco di corrente è, come voluto, superiore al picco di $64\ mA$ richiesto dal circuito.

La $Vr$ è , come voluto, superiore al picco inverso di $141\ V$ che si manifesta nel circuito

La frequenza di lavoro è nettamente superiore a quella richiesta dal nostro esempio