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Il diodo come raddrizzatore

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TOMMY's
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Il diodo come raddrizzatore

Messaggio Da TOMMY's il Lun Ago 18, 2008 5:11 pm

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 diodomassima tensione inversamassima corrente diretta
1N400150 V1 A
1N4002100 V1 A
1N4003200 V1 A
1N4004400 V1 A
1N4005600 V1 A
1N4006800 V1 A
1N40071000 V1 A
1N5401100 V3 A
1N5404400 V3 A
6A4400 V6 A


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