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Circuiti con diodi

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  • 1. Diodi Funzionamento ed applicazioni
  • 2. Il diodo è un dispositivo <ul><li>a due terminali, chiamati rispettivamente anodo e catodo </li></ul><ul><li>unidirezionale: esso si lascia attraversare dalla corrente solo in un verso, dall’anodo al catodo </li></ul><ul><li>non lineare </li></ul>
  • 3. Il diodo può essere polarizzato <ul><li>direttamente, se il potenziale all’anodo è maggiore di quello al catodo (Vak&gt;0); in questo caso il diodo può condurre </li></ul>
  • 4. oppure <ul><li>Inversamente se il potenziale all’anodo è minore di quello al catodo (Vak&lt;0); in questo caso il diodo non conduce </li></ul>
  • 5. La caratteristica del diodo mostra che se è polarizzato <ul><li>Inversamente (Vak&lt;0), esso non conduce </li></ul><ul><li>Direttamente (Vak&gt;0), esso entra in conduzione quando Vak supera un valore di soglia (0.5V nei diodi al silicio) </li></ul>
  • 6. Inoltre la caratteristica mostra che <ul><li>Quando Vak oltre- passa la soglia, il diodo entra bruscamente in conduzione; piccoli incrementi di Vak provocano grandi incrementi di corrente </li></ul>
  • 7. Notiamo ancora che <ul><li>Quando il diodo è in piena conduzione, la tensione ai suoi capi si stabilizza, più o meno, intorno a 0.7V </li></ul>
  • 8. La resistenza differenziale del diodo rd <ul><li>è il rapporto tra la variazione di Vak e la corrispondente variazione subita da I. Il tratto di caratteristica in cui il diodo è in piena conduzione è molto ripido; perciò, piccole variazioni di Vak provocano grandi variazioni di I e la resistenza differenziale rd è molto piccola </li></ul>
  • 9. La caratteristica del diodo mostra ancora <ul><li>che il componente non è lineare; infatti la caratteristica corrente tensione non è lineare ma esponenziale; anzi la corrente I che attraversa il diodo e la tensione ai suoi capi Vak sono legati dalla relazione: </li></ul>
  • 10. Nell’ equazione della caratteristica del diodo <ul><li>Io è una corrente di piccolo valore, tipica del diodo stesso, legata alla sua struttura e alla temperatura a cui si trova il dispositivo; Io è chiamata corrente inversa perché, come vedremo, essa è la piccola corrente che attraversa il diodo, quando è polarizzato inversamente </li></ul><ul><li>V T è una tensione determinata dalla temperatura a cui si trova il dispositivo; a 25 o C, V T vale 25mV </li></ul>
  • 11. Come è fatto il diodo? <ul><li>Per realizzare i diodi si usano i semiconduttori, così chiamati perché hanno proprietà elettriche, in qualche modo, intermedie tra i conduttori e gli isolanti </li></ul><ul><li>I semiconduttori più usati sono il Silicio, molto diffuso sul nostro pianeta, e il Germanio </li></ul>
  • 12. I semiconduttori possono essere <ul><li>puri, o intrinseci; in questo caso essi hanno un eguale numero di portatori di carica positivi, chiamate lacune, e di portatori negativi, gli elettroni </li></ul>+-+-+-+-+-+-+- +-+-+-+-+-+-+- +-+-+-+-+-+-+- intrinseco
  • 13. oppure possono essere <ul><li>drogati di tipo P; in questo caso la composizione chimica del semicon- duttore è stata alterata in modo che le lacune (positive) siano maggioritarie rispetto agli elettroni </li></ul>++ - ++++++ - ++ ++++++++++ - + ++++ - +++++++ Tipo P
  • 14. oppure possono essere <ul><li>drogati di tipo N; in questo caso la composizione chimica del semicon-duttore è stata alterata in modo che gli elettroni siano maggioritari rispetto alle lacune </li></ul>- - + - - - - - - + - - - - - - - - - - - + - - - - - + - - - - - - + Tipo N
  • 15. Il diodo è una giunzione PN <ul><li>Esso viene realizzato drogando una barretta di Silicio in modo che essa risulti da un lato di tipo P (con portatori maggioritari positivi) e dall’altro di tipo N (con portatori maggioritari negativi) </li></ul><ul><li>Nella figura non sono indicati i portatori minoritari </li></ul>+ + + + + + + + + + + + + + + <ul><li>- - - - </li></ul><ul><li>- - - - </li></ul><ul><li>- - - - </li></ul>P N A K
  • 16. La polarizzazione diretta <ul><li>mette in moto le cariche maggioritarie, che sono molte, e perciò la corrente I diretta cresce rapidamente all’aumentare di V; ciò è vero se V supera una barriera di potenziale, di circa 0.5V, che è all’interno della giunzione </li></ul>+ + + + + + + + + + + + + + + <ul><li>- - - - </li></ul><ul><li>- - - - </li></ul><ul><li>- - - - </li></ul>A K + - V P N I
  • 17. La polarizzazione inversa <ul><li>mette in moto le cariche minoritarie, che sono poche; la corrente Io che scorre in un diodo polarizzato inversamente è, perciò, molto piccola e quasi sempre viene trascurata; essa cresce all’aumentare della temperatura. </li></ul><ul><li>- </li></ul><ul><li>- </li></ul>+ + + + A K V P N Io + -
  • 18. Limiti di funzionamento <ul><li>La corrente che attraversa un diodo polarizzato direttamente non deve superare un certo valore, tipico del dispositivo; altrimenti la potenza che esso dissipa (Pd=I  Vak) diventa eccessiva ed esso si brucia per effetto Joule </li></ul>
  • 19. Per limitare la corrente che attraversa il diodo <ul><li>si inserisce, in serie ad esso, una resistenza R che determina una corrente: </li></ul>
  • 20. La polarizzazione inversa non deve <ul><li>superare un certo valore tipico del diodo (la tensione di breakdown); oltrepassata questa tensione, il numero di cariche minoritarie cresce bruscamente e, con esse, la corrente inversa; questo fenomeno, nei diodi normali, è distruttivo </li></ul>
  • 21. Del diodo si danno tre modelli semplificativi <ul><li>Nel primo modello, noto come modello del diodo ideale , si assume che il diodo polarizzato inver-samente sia un tasto aperto (I=0); mentre il diodo polarizzato diret-tamente è considerato un cortocircuito (Vak=0) </li></ul>Vak I
  • 22. Se utilizziamo il 1 o modello <ul><li>Nell’analisi circuitale, il diodo polarizzato direttamente va sostituito con un cortocircuito </li></ul>
  • 23. Mentre, il diodo polarizzato inversamente <ul><li>Nell’analisi circuitale, va sostituito con un circuito aperto </li></ul>
  • 24. Nel secondo modello semplificativo <ul><li>Il diodo polarizzato inversamente è trattato sempre come un tasto aperto </li></ul><ul><li>Si assume che la caduta di tensione ai capi di un diodo in conduzione rimanga costante al valore di 0.7V </li></ul>I Vak 0.7V
  • 25. Nel secondo modello <ul><li>Il diodo polarizzato inversamente è sempre sostituito da un tasto aperto </li></ul><ul><li>Il diodo polarizzato direttamente, nell’analisi circuitale, è sostituito da una “controbatteria” di valore 0.7V </li></ul>
  • 26. Nel terzo modello semplificativo <ul><li>Il diodo polarizzato inversamente è trattato sempre come un tasto aperto </li></ul><ul><li>Si assume che la caduta di tensione ai capi del un diodo in conduzione cresca poco, ma linearmente con la corrente ( e non esponenzialmente come nella realtà) </li></ul>Vak I 0.7V
  • 27. Nel terzo modello <ul><li>Il diodo polarizzato inversamente è sempre sostituito da un tasto aperto </li></ul><ul><li>Il diodo polarizzato direttamente, nell’analisi circuitale, è sostituito da una “controbatteria” di valore 0.7V con in serie la piccola resistenza differenziale del diodo, supposta costante </li></ul>
  • 28. Nei tre modelli <ul><li>Il comportamento del diodo è stato linearizzato a tratti </li></ul><ul><li>Infatti la sua caratteristica, esponenziale, è stata approssimata ad un’altra costituita da due semirette; una descrive il diodo in polarizzazione inversa (diodo interdetto); l’altra descrive il diodo polarizzato direttamente </li></ul>
  • 29. Il punto di funzionamento del diodo <ul><li>È il punto individuato nel piano I-Vak, dalla corrente I che attraversa il diodo, e dalla tensione Vak ai suoi capi </li></ul><ul><li>Nelle reti in continua il punto di funzionamento Q non cambia posizione nel tempo; perciò viene chiamato punto di riposo </li></ul>
  • 30. Il punto di riposo del diodo <ul><li>Può essere determi-nato analiticamente, applicando uno dei modelli visti, spesso il secondo </li></ul>
  • 31. 0ppure può essere determinato graficamente <ul><li>Basta risolvere, per via grafica, il sistema </li></ul>I
  • 32. Osserviamo che <ul><li>la seconda equazione è quella caratteristica del diodo </li></ul><ul><li>la prima non è altro che il 2 o principio di Kirchoff applicato alla maglia contenente il diodo; essa può essere riscritta nel modo seguente: </li></ul>
  • 33. Notiamo ancora che <ul><li>Il luogo dei punti del piano I/Vak che soddisfano la seconda equazione è la caratteristica del diodo </li></ul>
  • 34. Mentre il luogo dei punti <ul><li>del piano I/Vak che soddisfano la prima equazione, cioè il 2 o principio di Kirchoff è una retta </li></ul><ul><li>Essa è chiamata retta di carico; il suo coefficiente angolare (o pendenza) è: </li></ul>
  • 35. La retta di carico interseca <ul><li>l’asse I nel punto A; questo punto ha Vak=0 e perciò in questo punto I=E/R </li></ul><ul><li>l’asse Vak nel punto B; questo punto ha I=0; perciò, in questo punto Vak=E </li></ul>I Vak A B E/R E
  • 36. Unendo A e B si ottiene <ul><li>La retta di carico nel piano I/Vak, dove troviamo anche la caratteristica del diodo </li></ul>
  • 37. Il punto di riposo Q del diodo deve stare <ul><li>ovviamente sulla caratteristica del dispositivo </li></ul><ul><li>e anche sulla retta di carico, perché il diodo è inserito in una maglia e il 2 0 K deve essere soddisfatto </li></ul><ul><li>Il punto di riposo è perciò l’intersezione tra la caratteristica e la retta di carico </li></ul>
  • 38. Raddrizzatori <ul><li>A semionda e a onda intera </li></ul>
  • 39. I raddrizzatori a semionda <ul><li>smistano sul carico solo una delle due semionde del segnale di ingresso, bloccando l’altra </li></ul>
  • 40. I raddrizzatori ad onda intera <ul><li>smistano sul carico una semionda del segnale di ingresso mentre ribaltano l’altra </li></ul>
  • 41. In ogni caso <ul><li>la tensione uscente da un raddrizzatore è unipolare e, perciò, a valor medio diverso da zero. I raddrizzatori sono impiegati, insieme ad altri blocchi, per convertire una tensione ac, come quella di rete, in una tensione continua (dc) utile per alimentare le apparecchiature elettroniche. Essi hanno anche tante altre applicazioni </li></ul>
  • 42. I raddrizzatori spesso <ul><li>sono preceduti da un trasformatore; di solito esso è utilizzato per ridurre la tensione ac di rete (220Vrms, 50Hz) </li></ul>I1 I2
  • 43. Le equazioni del trasformatore sono I1 I2
  • 44. Osserviamo che <ul><li>n è il rapporto spire del trasformatore </li></ul><ul><li>la potenza al secondario è uguale a quella a primario, almeno idealmente; in realtà, la potenza al secondario è un po’ minore di quella a primario </li></ul>I1 I2
  • 45. Nel trasformatore con secondario a presa centrale <ul><li>il punto centrale dell’avvolgimento secondario è accessibile e, di solito, è posto a massa </li></ul><ul><li>N2 indica il numero complessivo di spire dell’avvolgimento secondario. </li></ul>
  • 46. Le equazioni V2
  • 47. Le forme d’onda <ul><li>Ai due estremi del secondario troviamo due tensioni uguali in modulo e in opposizione </li></ul><ul><li>di fase; il picco di ciascuna è la metà del picco di V2 </li></ul>
  • 48. Raddrizzatore a semionda <ul><li>E’ costituito da un diodo e da un carico resistivo </li></ul><ul><li>Per studiare il comportamento di questo raddrizzatore, e anche di quelli ad onda intera, adotteremo il modello del diodo ideale </li></ul>
  • 49. durante la semionda positiva di V2, <ul><li>il diodo è polarizzato direttamente, quindi è un cortocircuito e, perciò, Vout=V2 </li></ul>+ _ V2
  • 50. durante la semionda negativa di V2, <ul><li>il diodo è polarizzato inversamente, quindi è un tasto aperto e, perciò, Vout=0 </li></ul>+ _ V2
  • 51. Le forme d’onda mostrano che <ul><li>la semionda positiva di V2 </li></ul><ul><li>viene smistata sul carico; il picco di Vout è uguale a quello di V2 (Voutp=V2p); in realtà : </li></ul><ul><li>Voutp=V2p-0.7V </li></ul>+ _
  • 52. E ancora che <ul><li>la semionda negativa di V2 viene bloccata dal diodo interdetto e rimane ai suoi capi come tensione inversa; la massima tensione inversa che deve sopportare il diodo (PIV) coincide con il picco di V2 (PIV=V2p) </li></ul>+ _ _ +
  • 53. La tensione di uscita è <ul><li>unipolare </li></ul><ul><li>periodica, con lo stesso periodo del segnale di ingresso </li></ul><ul><li>complessa, come mostra lo spettro di Fourier; il suo valor medio in un periodo è </li></ul>
  • 54. In realtà <ul><li>Il picco di Vout è un po’ più piccolo di quello di V2 perché sul diodo in conduzione rimangono circa 0.7V </li></ul><ul><li>Il diodo conduce per meno di mezzo periodo; esso, infatti, entra in conduzione e vi rimane, quando V2 supera la soglia di 0.5V </li></ul><ul><li>Il valor medio in un periodo di Vout è, perciò, un po’ più piccolo di quello preventivato </li></ul><ul><li>Durante la semionda negativa, il carico è attraversato dalla corrente inversa del diodo che, essendo molto piccola, determina una caduta trascurabile </li></ul>
  • 55. Raddrizzatore ad onda intera <ul><li>Con secondario a presa centrale </li></ul>V2
  • 56. Questo raddrizzatore utilizza <ul><li>un trasformatore con secondario a presa centrale che fornisce due tensioni Va e Vb uguali in modulo e in opposizione di fase; il picco di ciascuna tensione è la metà del picco della tensione che si stabilisce su tutto il secondario (V2=Vab) </li></ul><ul><li>due diodi che conducono in controfase </li></ul>
  • 57. Durante la semionda positiva di V2 <ul><li>Va è positiva mentre Vb è negativa; D1 conduce mentre D2 è interdetto; sul cari-co viene smistata la semionda positiva di Va </li></ul>
  • 58. Durante la semionda negativa di V2 <ul><li>Vb è positiva mentre Va è negativa; D2 conduce mentre D1 è interdetto; sul cari-co viene smistata la semionda positiva di Vb </li></ul>
  • 59. La tensione di uscita è <ul><li>unipolare </li></ul><ul><li>periodica, con periodo metà rispetto a quello del segnale non raddrizzato e, quindi, frequenza doppia </li></ul><ul><li>complessa; le sue armoniche sono multiple pari della frequenza del segnale originario </li></ul>
  • 60. inoltre
  • 61. In realtà <ul><li>Voutp  Vap-0.7V </li></ul><ul><li>Il valor medio in un periodo di Vout è, perciò, un po’ meno di quello preventivato </li></ul>
  • 62. Ai capi di ciascun diodo <ul><li>quando è interdetto, c’è tutta </li></ul><ul><li>la tensione del secondario; </li></ul><ul><li>l’altro diodo è, infatti, in </li></ul><ul><li>conduzione ed è, quindi, </li></ul><ul><li>quasi un cortocircuito. La </li></ul><ul><li>massima tensione inversa che </li></ul><ul><li>deve sopportare ciascun </li></ul><ul><li>diodo è V2p (PIV=V2p) </li></ul>
  • 63. In sintesi, la tensione Vout: <ul><li>è unipolare (la corrente attraversa il carico sempre nello stesso verso) </li></ul><ul><li>ha frequenza doppia rispetto al segnale originario </li></ul><ul><li>ha valor medio Voutdc identico a quello fornito dal raddrizzatore a semionda, a parità di trasformatore </li></ul><ul><li>ha meno armoniche (la metà), rispetto al segnale raddrizzato a semionda </li></ul>
  • 64. Raddrizzatore ad onda intera <ul><li>A ponte di Graetz </li></ul>
  • 65. Questo raddrizzatore utilizza <ul><li>Due coppie di diodi che conducono in controfase; i quattro diodi realizzano una struttura a ponte. </li></ul>
  • 66. In questo raddrizzatore <ul><li>la tensione di pilotaggio (V 2 =V AB ) è applicata ad una diagonale del ponte </li></ul><ul><li>la tensione di uscita è prelevata sull’altra diagonale </li></ul><ul><li>solo una diagonale può avere un punto a massa </li></ul>V2
  • 67. Durante la semionda positiva di V 2 <ul><li>V A è maggiore di V B </li></ul><ul><li>D1 e D3 sono polarizzati direttamente (anodo verso </li></ul><ul><li>il +) e sono quasi dei cortocircuiti </li></ul><ul><li>D2 e D4 sono polarizzati inversamente (anodo verso il -) e si comportano da tasti aperti </li></ul><ul><li>Vout=V AB =V 2 </li></ul><ul><li>La corrente scorre nel verso indicato dalle frecce </li></ul>+ _
  • 68. Durante la semionda negativa di V 2 <ul><li>V A è minore di V B </li></ul><ul><li>D1 e D3 sono polarizzati inversamente (anodo verso </li></ul><ul><li>il -) e si comportano da tasti aperti </li></ul><ul><li>D2 e D4 sono polarizzati direttamente (anodo verso il +) e sono quasi dei cortocircuiti </li></ul><ul><li>Vout=V BA =-V 2 </li></ul><ul><li>la corrente scorre nel verso indicato dalle frecce </li></ul>+ _
  • 69. Le forme d’onda mostrano che Vout è <ul><li>Unipolare (la corrente attraversa il carico sempre nello stesso verso) </li></ul><ul><li>periodica, con periodo metà rispetto a quello del segnale non raddrizzato e, quindi, frequenza doppia </li></ul>
  • 70. Supponendo i diodi ideali
  • 71. La tensione Vout <ul><li>ha, in realtà, Voutp  V 2p -1.4V (l’uscita è separata dal secondario da due diodi in conduzione) </li></ul><ul><li>ha, perciò, un valor medio un po’ minore di quello preventivato </li></ul><ul><li>è complessa; le sue armoniche sono multiple pari della frequenza del segnale originario </li></ul>
  • 72. Ai capi della coppia di diodi <ul><li>interdetti, c’è tutta la tensio- </li></ul><ul><li>ne del secondario come </li></ul><ul><li>tensione inversa; l’altra </li></ul><ul><li>coppia è, infatti, in conduzio </li></ul><ul><li>ne ed è, quindi,quasi un </li></ul><ul><li>cortocircuito. La massima </li></ul><ul><li>tensione inversa che deve </li></ul><ul><li>sopportare ciascun diodo è </li></ul><ul><li>V2p (PIV=V2p) </li></ul>
  • 73. concludendo <ul><li>Il raddrizzatore a ponte fornisce una componente continua doppia rispetto al raddrizzatore a presa centrale, a parità di trasformatore </li></ul>
  • 74. A parità di componente continua, nel ponte di Graetz <ul><li>il picco di tensione a secondario è metà rispetto a quello richiesto dal raddrizza-tore a presa centrale </li></ul><ul><li>quindi, il numero di spire a secondario è metà rispetto a quello richiesto dal rad-drizzatore a presa centrale (ciò comporta un minore ingombro) </li></ul><ul><li>il PIV è la metà </li></ul>
  • 75. Il raddrizzatore filtrato
  • 76. La tensione uscente <ul><li>dai raddrizzatori è unipolare ma non è continua (ha molte armoniche!); per livellarla ulteriormente, si mette un grosso condensatore in parallelo al carico; esso tende a mantenere costante la tensione ai suoi capi </li></ul>
  • 77. All’accensione <ul><li>il condensatore C è scarico; appena arriva la prima semionda positiva, il diodo entra in conduzione e comincia a caricare il condensatore. </li></ul>
  • 78. Man mano che C si carica <ul><li>il potenziale al catodo va crescendo e Vak va diminuendo; ad un certo punto, il potenziale al catodo (Vout) diventa uguale (o quasi) al picco di V2; a quel punto il diodo si interdice perché Vak è minore della soglia </li></ul>
  • 79. Appena il diodo si interdice <ul><li>il condensatore smette di caricarsi; anzi, comincia a scaricarsi su RL, più o meno rapidamente a secondo del valore del prodotto C  R L ; Vout decresce. </li></ul>
  • 80. Quando Vout è diminuito sufficientemente <ul><li>il diodo rientra in conduzione e ricarica velocemente C </li></ul><ul><li>il diodo si interdice di nuovo </li></ul><ul><li>C ricomincia a scaricarsi su RL e così via </li></ul>
  • 81. A regime <ul><li>sul carico abbiamo una tensione Vout quasi continua, il cui valore massimo Voutp è circa V 2p ; il valor minimo dipende dalla costante di scarica del condensatore </li></ul>I L
  • 82. A regime <ul><li>Il diodo rimane interdetto per la gran parte del periodo; esso rientra in conduzione in prossimità del picco positivo di V2, solo per una breve frazione di periodo, per ricaricare C </li></ul>I L
  • 83. La variazione di tensione V R <ul><li>subita da Vout in un periodo è tanto più piccola quanto più grande è la costante di scarica C  R L . </li></ul><ul><li>A parità di capacità, V R è tanto più piccola quanto più grande è R L , cioè quanto più piccola è la corrente I L assorbita dal carico R L </li></ul>V R I L
  • 84. Calcoliamo VR V R V R
  • 85. In pratica, Vout <ul><li>è costituita da un livello continuo Voutdc , a cui è sovrapposta un’ondulazione (ripple) di valore picco picco V R . Se assumiamo che la ricarica del condensa-tore avvenga in un tempo nullo, il ripple ha una forma d’onda a dente di sega; la sua frequenza è la stessa di quella del segnale raddrizzato </li></ul>V R
  • 86. Calcoliamo Voutdc V R Voutp  V2p
  • 87. In conclusione, il raddrizza-tore filtrato equivale <ul><li>ad un generatore reale </li></ul><ul><li>di tensione continua </li></ul><ul><li>che ha: </li></ul><ul><li>forza elettromotrice E= Voutp </li></ul><ul><li>resistenza interna (o resistenza di uscita) Rout=1/2fC </li></ul>I L I L
  • 88. La resistenza Rout <ul><li>a parità di capacità C , è più piccola nel raddrizzatore filtrato ad onda intera perché la frequenza del segnale raddrizzato è doppia (100Hz) </li></ul>
  • 89. anche l’ondulazione <ul><li>nel raddrizzatore filtrato ad onda intera (traccia blu) è la metà rispetto al raddrizzatore filtrato a semionda (traccia rossa) perché il condensatore viene ricaricato ogni 10msec (e non ogni 20msec come nel raddrizzatore a semionda) </li></ul>
  • 90. A regime, dal ponte esce <ul><li>un impulso di corrente ad ogni 10msec, per ricaricare C </li></ul>i L i P i C
  • 91. Un impulso <ul><li>proviene dalla coppia D1D3 che entra in conduzione ogni 20msec, per un breve intervallo di tempo </li></ul>i L i P ip 1 2 3 4 ic + -
  • 92. L’altro impulso <ul><li>proviene dalla coppia D2D4 che entra in conduzione nel periodo successivo, sempre per un breve intervallo di tempo </li></ul>i L i P i p 1 2 3 4 i p + -
  • 93. Le forme d’onda evidenziano che <ul><li>la corrente uscente dal ponte è impulsiva con periodo 10msec </li></ul><ul><li>la corrente che attraversa i diodi è impulsiva con periodo 20msec </li></ul>
  • 94. In base al 1 o K i L i P i C
  • 95. La corrente uscente <ul><li>dal ponte, mediamente in un periodo, proviene per metà dalla coppia D1D3 e per l’altra metà dalla coppia D2D4; perciò: </li></ul>I Ldc I Pm I dm 1 2 3 4 I dm + -
  • 96. La corrente che attraversa <ul><li>ciascun diodo è impulsiva con periodo 20msec; supponendo, per semplicità, che gli impulsi siano rettangolari con altezza IdP e durata TH=0.1T, otteniamo </li></ul>I dP
  • 97. Il diodo Zener <ul><li>è un diodo che, in certe condizioni, può condurre anche quando è polarizzato inversamente </li></ul>
  • 98. La caratteristica I-Vak mostra che <ul><li>quando lo Zener è polarizzato direttamente, esso si comporta come un normale diodo, con tensione di soglia 0.5V </li></ul>Vak Vz
  • 99. Quando lo Zener è polarizzato inversamente <ul><li>esso non conduce, sino a quando la tensione inversa non oltrepassa un certo valore tipico del diodo, la tensione di rottura o di breakdown (Vz) </li></ul>Vak Vz
  • 100. Quando la tensione inversa oltrepassa Vz <ul><li>Il diodo entra bruscamente in conduzione e piccoli incrementi di tensione provocano grandi aumenti di corrente. La tensione ai capi del diodo si stabilizza intorno a Vz </li></ul>Vak Vz
  • 101. Nell’analisi circuitale <ul><li>Lo Zener in conduzione inversa è rimpiazzato da una “controbatteria” di valore Vz (primo modello) </li></ul>I I
  • 102. Oppure è sostituito <ul><li>da “una controbatteria” con in serie la piccola resistenza differenziale Rz del diodo, supposta costante (secondo modello) </li></ul>I I
  • 103. Il diodo Zener in conduzione inversa <ul><li>è uno stabilizzatore di tensione; esso è in grado di subire grandi variazioni di corrente, mantenendo costante la tensione ai suoi capi e, quindi, ai capi dell’utilizzatore R L posto in parallelo ad esso. </li></ul>
  • 104. Lo Zener viene posto <ul><li>all’uscita del raddrizzatore filtrato per ridurre l’ondulazione; infatti, al variare di Vs, varia la corrente assorbita dal diodo ma la tensione ai capi, Vout, resta costante o quasi </li></ul>
  • 105. Le forme d’onda mostrano che <ul><li>la tensione uscente dal ponte ha un ripple di circa 4V picco-picco </li></ul><ul><li>la tensione di uscita è praticamente costante a 10V (Vz) </li></ul>
  • 106. La corrente dello Zener <ul><li>non deve scendere al di sotto di Izmin, altrimenti il diodo non stabilizza bene </li></ul><ul><li>non deve oltrepassare Izmax, altrimenti la potenza dissipata dal diodo supera la massima consentita </li></ul>Izmax Izmin
  • 107. Progettiamo il regolatore a Zener Vsmax Vsmin Is I L Iz In base al 1 o K abbiamo:
  • 108. La corrente nello Zener <ul><li>diminuisce molto quando Vs è minima e, nello </li></ul><ul><li>stesso tempo, R L sta assorbendo la massima </li></ul><ul><li>corrente I Lmax ; e però deve essere sempre </li></ul><ul><li>maggiore di I zmin ; cioè: </li></ul>Vsmin I Lmax Iz Is
  • 109. La corrente nello Zener <ul><li>aumenta molto quando Vs è massima e, nello </li></ul><ul><li>stesso tempo, R L non sta assorbendo corrente </li></ul><ul><li>(uscita a vuoto); e però deve essere sempre </li></ul><ul><li>minore di I zmax ; cioè: </li></ul>Vsmax Iz Is
  • 110. In definitiva <ul><li>Rs va scelta in modo che sia soddisfatta la condizione: </li></ul>Vsmax Vsmin Is I L Iz
  • 111. Il rivelatore di picco <ul><li>è costituto da un diodo e da un condensatore </li></ul><ul><li>fornisce una tensione continua il cui valore è uguale al picco della tensione applicata in ingresso, almeno idealmente. </li></ul>
  • 112. Dopo un breve transitorio <ul><li>C si carica al picco di </li></ul><ul><li>Vin e il diodo si </li></ul><ul><li>Interdice </li></ul><ul><li>definitivamente. In </li></ul><ul><li>realtà, il diodo si blocca </li></ul><ul><li>quando Vc  Vinp-0.5V. </li></ul>
  • 113. Il rivelatore di picco <ul><li>ha molte applicazioni; è usato, tra l’altro, </li></ul><ul><li>nei tester per misurare il picco delle </li></ul><ul><li>tensioni alternate </li></ul><ul><li>non riesce a seguire le variazioni in discesa del picco di un segnale AM </li></ul>
  • 114. Il rivelatore di inviluppo <ul><li>è un rivelatore di picco in cui si da al condensatore la possibilità di scaricarsi e di seguire le variazioni in discesa del picco della modulante, di periodo Tm (Tc è il periodo della portante) </li></ul>
  • 115. La resistenza R va scelta in modo che sia <ul><li>CR &gt;&gt;Tc per evitare che C possa scaricarsi apprezzabilmente tra un periodo e l’altro della portante </li></ul><ul><li>CR&lt;&lt;Tm in affinchè C possa seguire le evoluzioni della modulante </li></ul>
  • 116. Il clamper è un circuito <ul><li>diodo-capacità in cui l’uscita è prelevata sul diodo, piuttosto che sul condensatore (come nel rivelatore di picco). </li></ul><ul><li>esso aggancia i picchi positivi (o negativi) di Vin ad un livello di riferimento che spesso è lo zero. </li></ul>
  • 117. A regime <ul><li>Vc=Vinp (o quasi) e perciò: </li></ul><ul><li>di conseguenza,Vout ha la stessa forma d’onda di Vin ma è scivolata verso il basso di Vinp </li></ul><ul><li>i picchi positivi della tensione di uscita vengono agganciati a zero (in realtà a +0.7V circa) </li></ul>+ _
  • 118. Se invertiamo il diodo <ul><li>Il clamper aggancia i picchi negativi a zero ( in realtà a -0.7V) scivolando il segnale verso l’alto di Vinp; infatti stavolta </li></ul>+ -
  • 119. Il duplicatore di tensione <ul><li>è costituito da : </li></ul><ul><li>un clamper (C 1 D 1 ) che aggancia i picchi negativi di Vin a zero (uscita Vout 1 ) </li></ul><ul><li>un rivelatore di picco (C 2 D 2 ) che rivela il valore massimo di Vout 1 che, idealmente è 2Vinp (più realisticamente è 2Vinp-2  0.7V) </li></ul>
  • 120. Le forme confermano che <ul><li>a regime, Vout 1 ha i picchi negativi agganciati a zero e valore massimo 20V circa </li></ul><ul><li>Vout 2 è una tensione continua di valore 20V circa (il doppio di Vinp) </li></ul><ul><li>Il duplicatore è un caso particolare di moltiplicatore di </li></ul><ul><li>tensione </li></ul>
  • 121. I moltiplicatori di tensione <ul><li>forniscono una tensione continua il cui valore è un multiplo intero del picco di Vin. Essi sono realizzati alternando un clamper e un rivelatore di picco e vengono usati per pilotare carichi che richiedono tensioni continue elevate e piccole correnti; altrimenti i condensatori si scaricano velocemente. </li></ul>
  • 122. I limitatori di tensione <ul><li>tagliano il segnale al di sopra di un prefissato livello </li></ul><ul><li>oppure tagliano il segnale al di sotto di un dato livello di riferimento </li></ul><ul><li>oppure lasciano passare il segnale compreso tra due livelli, tagliando sia quello al disotto che quello al di sopra </li></ul>
  • 123. Nel circuito di figura <ul><li>per Vin&lt;E, il diodo è interdetto e nella resistenza R non c’è caduta di tensione ; perciò Vout=Vin </li></ul><ul><li>per Vin&gt;E, il diodo è polarizzato direttamente; poichè Vak  0 allora Vout  E </li></ul><ul><li>in definitiva, la tensione Vout non può superare il valore E </li></ul>E E
  • 124. Il circuito <ul><li>è, quindi, un limitatore che taglia la parte di segnale al di sopra di E (livello di riferimento); ciò è confermato dalla risposta ad un segnale sinusoidale di picco 20V, che viene cimato quando esso supera il riferimento di 10V </li></ul>
  • 125. In questo altro circuito <ul><li>per Vin&lt;E, il diodo è polarizzato direttamente; poichè Vak  0 allora Vout  E </li></ul><ul><li>per Vin&gt;E, il diodo è interdetto e nella resistenza R non c’è caduta di tensione ; perciò Vout=Vin </li></ul><ul><li>in definitiva, la tensione Vout non può scendere al di sotto del valore E </li></ul>E E
  • 126. Il circuito <ul><li>è, quindi, un limitatore che taglia la parte di segnale al di sotto di E (livello di riferimento); ciò è confermato dalla risposta ad un segnale sinusoidale di picco 20V, che viene cimato quando esso scende al di sotto dell riferimento di 10V </li></ul>
  • 127. Il limitatore a due livelli <ul><li>può essere realizzato mettendo in parallelo due limitatori ad un livello (E2&gt;E1); infatti: </li></ul><ul><li>per Vin&lt;E 1 , D 1 è ON mentre D 2 è OFF; essendo V ak1  0, Vout  E 1 </li></ul><ul><li>per E 1 &lt;Vin&lt; E 2, D1 e D2 sono OFF; la caduta su R è, allora, nulla e Vout=Vin </li></ul><ul><li>per Vin&gt;E 2 , D 1 è OFF mentre D 2 è ON; essendo V ak2  0, Vout  E2 </li></ul>E1 E2 E1 E2
  • 128. Ciò è confermato <ul><li>dalla risposta ad un segnale sinusoidale di picco 30V che viene cimato per tensioni inferiori a E 1  10V e per tensioni superiori a E 2  20V </li></ul>
  • 129. Un limitatore a due livelli simmetrici <ul><li>può essere ottenuto usando due Zener uguali; infatti: </li></ul><ul><li>per Vin positivi e maggiori di Vz, D1 entra in conduzione inversa mentre D 2 conduce direttamente e Vout  Vz </li></ul><ul><li>per Vin più negativi di -Vz, D 1 entra in conduzione diretta mentre D2 conduce inversamente e Vout  -Vz </li></ul>
  • 130. Per valori di Vin <ul><li>compresi tra –Vz (-10V) e +Vz(+10V), entrambi i diodi sono interdetti ed allora Vout=Vin; ciò è confermato dalla risposta ad un segnale triangolare di picco 20V che viene cimato per tensioni inferiori a E 1  -10V e per tensioni superiori a E 2  +10V </li></ul>

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