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DIODI

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PANORAMICA SUI DIODI, RETTA DI CARICO, LASER, LED, FOTODIODI, TUNNEL, PIN, ZENER, SCHOTTKY

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DIODI

  1. 1. Elettrotecnica ed Elettronica- Ing. Pasquale Alba 2017 DIODI Impieghi. Tipi di diodi: a vuoto o gas, a semiconduttore a giunzione PN e Metallo-S, Ponti di Graetz, Schottky, Zener, Tunnel, LED, fotodiodi, PIN, Varactor o Varicap, Celle Fotovoltaiche, GUNN, Laser. Diodi per microonde: Impatt, Baritt, Dovett, Magnetron. Esercitazioni. 1STAMPA SOLO SE NECESSARIO La presente dispensa ha scopo didattico e si propone di essere un compendio di base, e un vademecum sintetico per studenti di Istituti Tecnici Industriali, Professionali e per l’introduzione all’Ingegneria Elettronica ed Elettrica. Non propone calcoli e relazioni matematiche in dettaglio né tratta il funzionamento interno ma focalizza l’attenzione sul principio di funzionamento circuitale cioè esterno e sulle caratteristiche essenziali delle varie configurazioni. Prerequisiti: definizioni, principi e leggi fondamentali di elettrotecnica (potenziale elettrico, corrente, leggi di Ohm, principi di Kirchhoff, diagrammi tensione-corrente). Fisica dei semiconduttori (consigliato ma non indispensabile).
  2. 2. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Impieghi 2 • Raddrizzatori • Rivelatori RF • Sintonizzatori RF • Limiter • Emissione di luce per illuminazione • Emissione di luce laser per misure o taglio • Rivelazione di luce Fotorivelatori • Amplificazione
  3. 3. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Simboli 3 Generico LED Zener Schottky Tunnel Fotodiodo Varicap / Varactor A K Diodo a vuoto (tubo termoionico)
  4. 4. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Caratteristica V-I ideale del diodo generico 4 VAK I Polarizzazione diretta: la corrente scorre da anodo a catodo: esso si comporta come un corto circuito (V=0) Polarizzazione inversa: all’anodo è applicata un potenziale minore rispetto al catodo: esso si comporta come un circuito aperto (I=0)
  5. 5. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Breve discorso sul diodo a vuoto 5
  6. 6. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Caratteristica V-I del diodo reale a semiconduttore 6 I = Iis ⋅ (e V aVT − 1) Iis : corrente inversa di saturazione (≈1nA) VT : tensione “termica” VT=kT/q a : parametro che vale 1 per diodi al Germanio o per bassissime correnti e 2 per quelli al Silicio a correnti medio-alte k : costante di Boltzmann 1,3806488·10-23 J/°K T : temperatura assoluta (gradi Kelvin 0°C=273,15°K) q : carica dell’elettrone 1,621·10-19 coulomb
  7. 7. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Caratteristica V-I approssimata del diodo al silicio 7 VAK I Polarizzazione diretta: all’anodo è applicata un potenziale maggiore rispetto al catodo: esso conduce con una piccola resistenza Polarizzazione inversa: all’anodo è applicata un potenziale minore rispetto al catodo: esso si comporta come un circuito aperto (I=0) Il diodo comincia a condurre quando in polarizzazione diretta si supera una “soglia” di tensione che è dell’ordine di: 0,25V per diodi al Germanio 0,6V per diodi al Silicio
  8. 8. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Concetto di “resistenza differenziale” o “dinamica” 8 VAK I Il diodo è polarizzato nel punto Q detto “punto di riposo” 
 In inglese è indicato spesso con Q da “quiescent”. 
 Spesso viene anche detto “punto di lavoro” o “idle point”. La corrente media è IQ e tensione media è VQ Q Se la corrente e la tensione hanno delle piccole variazioni, il punto Q si muove intorno al punto medio. Si definisce resistenza differenziale rd il rapporto tra la variazione di ∆V e quella di corrente ∆I intorno al punto di riposo. ∆V ∆I ∆V ∆ I rd = ∆V ∆ I gd = Conduttanza differenziale:
  9. 9. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Calcolo della resistenza differenziale 9 Eseguendo la derivata dell’espressione di I rispetto a V e trascurando il -1 in quanto molto minore del termine esponenziale, si ottiene: I = Iis ⋅ (e V aVT − 1) Utilizzando a = 2 e calcolando VT a temperatura ambiente T = 25°C = 298°K si ha: VT = 0,026 V = 26 mV gd = dI dV = Iis ⋅ e V aVT aVT ≃ I aVT rd ≃ aVT I
  10. 10. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Esercitazione: calcolare la resistenza differenziale 10 Calcolare la resistenza differenziale di un diodo a giunzione al Silicio a temperatura ambiente 25°C intorno al punto di polarizzazione ove la corrente è I=1mA
  11. 11. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Concetto di “retta di carico” (RDC) 11 VAK I La retta di carico è in rosso. Essa dipende dal circuito esterno al diodo. Tutte le volte che si ha a che fare con un componente non lineare come un diodo o transistor, bisogna tracciare la caratteristica V- I del circuito esterno ad esso costituito da R e Vs, e sovrapporla alla caratteristica non lineare del componente. Il punto di lavoro Q deve appartenere sia alla retta di carico (per soddisfare il bilancio delle tensioni della maglia) sia alla caratteristica V-I del componente. Per tracciare la RDC basta avere 2 punti: si utilizzano allora due situazioni particolari semplici: 1. il componente è a circuito aperto (I=0) da cui segue che VAK=Vs 2. il componente è in c.c. (VAK=0) da cui segue I = Vs / R Q Vs Vs R VAKI
  12. 12. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Come cambia la retta di carico 12 VAK I Se varia R, la retta di carico ruota intorno al punto VAK=Vs V’s V’s R VAK I Vs Vs R Se varia la tensione Vs, la retta di carico si muove parallelamente a sé stessa. Vs Vs R Vs R’
  13. 13. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Diodo Schottky 13 Caratteristiche essenziali: 1. Non è formato da una giunzione PN tra due semiconduttori drogati P e N, ma tra un metallo M e un semiconduttore P. 2. Barriera di potenziale molto bassa ≈ 0,15V contro 0,6V circa dei diodi a giunzione PN in Silicio 3. Tensione di breakdown non molto alta 4. È un diodo “fast” cioè veloce (con recovery-time basso) 5. Utilizzo: raddrizzatori ad elevate correnti e basse tensioni anche ad alta frequenza (switching-mode)
  14. 14. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Zener: Caratteristica V-I 14 Il diodo Zener ha una tensione di breakdown calibrata e viene utilizzato in breakdown come stabilizzatore di tensione.
  15. 15. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Zener: Impieghi 15 1. come regolatore-stabilizzatore di tensione. La corrente massima prelevabile dal carico RL è V/RS 2. come limitatore (limiter) di tensione.
  16. 16. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Light Emitting Diodes 16
  17. 17. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 LED emissione di luce per effetto fotoelettrico 17 e-e- e- Tutte le giunzioni di semiconduttori emettono fotoni cioè luce. La maggior parte però la emette nella lunghezza d’onda dell’infrarosso quindi non visibile.
  18. 18. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 18 La caduta di tensione in polarizzazione diretta (VF) con una corrente di 20mA di un diodo LED è dell’ordine di 1,6V per colore Rosso, da 1,8 a 2,2V per LED Giallo. Pertanto o si pilotano in corrente costante o devono essere alimentati mettendo in serie un resistore limitatore di corrente da calcolare: R = (Vs-VF) / IF HiPower LED - LED RGB
  19. 19. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 19 HiPower LED driver Esempio di pilotaggio di LED a corrente costante in modalità switching
  20. 20. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Diodo Laser 20 Sono particolari LED che generano luce coerente cioè con i fotoni in fase tra loro, mediante il principio del risonatore ottico in una cavità tra due specchi di cui uno semiriflettente che costituisce l’uscita ottica. Usati nei CD/DVD lettori e masterizzatori, in strumenti di misura di lunghezze, distanze e velocità (telemetri, autovelox).
  21. 21. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Fotodiodi - Diodi fotorivelatori 21 Usati in: ricevitori per fibra ottica nelle Telecomunicazioni, ricevitori dei telecomandi, barriere cancelli automatici, sensori speciali selettivi per lunghezze d’onda etc. Possono essere collegati in due modi: 1. polarizzati inversamente (come da schema sopra): al buio non conducono. Se illuminati, hanno una corrente inversa proporzionale all’intensità luminosa. In questo modo hanno una banda passante non molto elevata se si vuole una grande amplificazione (a causa della capacità parassita del diodo che forma una costante di tempo con la resistenza). 2. senza tensione di polarizzazione: se lasciati a circuito aperto producono una debole tensione, se collegati in cortocircuito producono una corrente (v.schemi pagine seguenti)
  22. 22. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Fotodiodi - Diodi fotorivelatori 22
  23. 23. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Fotodiodi - Diodi fotorivelatori 23
  24. 24. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Tunnel Diodes 24 Il diodo Tunnel presenta un tratto a pendenza negativa quindi la resistenza differenziale è negativa. Sono caratterizzati da bassissimo rumore e usati come amplificatori o oscillatori per ricevitori a microonde in applicazioni radar e satellitari.
  25. 25. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Amplificatori a Diodo Tunnel 25
  26. 26. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Oscillatori a Diodo Tunnel 26
  27. 27. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Diac 27 Il DIAC cioè “diodo-AC” presenta una caratteristica V-I come quella a destra: quando la tensione supera la soglia di breakover VBO ≈ 30..40V essi scattano in conduzione. Sono utilizzati insieme ai TRIAC nei regolatori (dimmer) a controllo di fase.
  28. 28. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 Diac 28 DIAC + TRIAC usato in regolatori (dimmer) a controllo di fase. sx: Il condensatore C si carica con costante di tempo regolabile tramite una resistenza variabile. Appena raggiunge il valore di soglia del DIAC questo va in conduzione e innesca il Gate G del TRIAC che scatta in conduzione tra MT1 e MT2. Quando la tensione alternata passa per lo zero e la corrente scende sotto un valore minimo (IH holding current), il TRIAC va in interdizione (cessa di condurre). Con una tensione alternata ad ogni semiciclo positivo o negativo il discorso si ripete. Il TRIAC, che è trattato in una ulteriore documento a parte, è formato da due SCR in antiparallelo i quali sono descritti qui di seguito. TRIAC
  29. 29. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 SCR = Silicon Controlled Rectifier o Tiristori (Thyristor) 29 Cioè Rettificatore al Silicio Controllato Sono diodi controllati a contatto normalmente aperto. Un impulso di tensione e corrente tra Gate e Catodo li porta in conduzione e vi restano fintanto che tra Anodo e Catodo c’è passaggio di una minima corrente (Holding-current IH). Sono utilizzati come interruttori di potenza a stato solido in c.continua. Se appaiati in antiparallelo sono usati come interruttori in c.alternata. Utilizzati come commutatori o bypass in inverter e UPS, nella trazione elettrica auto e ferroviaria.
  30. 30. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 SCR = Silicon Controlled Rectifier o Tiristori (Thyristor) 30
  31. 31. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 SCR = Silicon Controlled Rectifier o Tiristori (Thyristor) 31
  32. 32. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 SCR = Silicon Controlled Rectifier o Tiristori (Thyristor) 32
  33. 33. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 SCR & UJT in un controllo di potenza 33
  34. 34. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione e Manutenzione - Ing. Pasquale Alba Credits Riconoscimenti Si ringraziano per immagini e informazioni tecniche: • Wikimedia Commons • RF Wireless World • Electronics-Tutorials.ws • electronics.stackexchange.com • Linear Technology • tutti coloro che hanno reso disponibili su Internet informazioni qui riportate 34 La presente dispensa a scopo didattico contiene sia contenuto originale dell’autore che contenuti reperiti su Internet. Tutti diritti sui contenuti reperiti, appartengono, ove coperti da copyright, ai rispettivi proprietari. Ove si ritenga esistano violazioni di copyright, imprecisioni o errori si prega di segnalarli a: ing.pasqualealba@gmail.com . Questo materiale può essere diffuso citando la fonte. In caso si voglia stampare si consiglia di usare un layout con 4 diapositive per ogni pagina. Le informazioni qui contenute sono ritenute accurate e hanno scopo di studio senza fini di lucro, tuttavia l’autore non esclude che siano presenti errori o imprecisioni e declina ogni responsabilità diretta o indiretta per danni a persone o cose derivanti da un eventuale loro uso a scopo professionale; chi ne fa uso se ne assume pienamente la responsabilità.

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