sezione_11a
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— | sezione_11a [2015/10/21 20:31] – [Raddrizzatori su carico ohmico-indutivo] admin | ||
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Linea 1: | Linea 1: | ||
+ | ====== 11A - Diodi e loro applicazioni fondamentali ====== | ||
+ | ===== 1 Premessa ===== | ||
+ | |||
+ | Il diodo è un componente non lineare. | ||
+ | |||
+ | ===== 2 Il diodo raddrizzatore ===== | ||
+ | |||
+ | Il diodo è il più semplice dei componenti a semiconduttore; | ||
+ | |||
+ | /* | ||
+ | A prescindere dall' | ||
+ | */ | ||
+ | |||
+ | /* | ||
+ | Classificazione: | ||
+ | * diodi general purpose | ||
+ | * diodi switching (t< | ||
+ | * diodi per piccoli segnali | ||
+ | * diodi raddrizzatori (potenza) | ||
+ | * diodi raddrizzatori veloci (per alimentatori switching) | ||
+ | */ | ||
+ | |||
+ | /* | ||
+ | curiosità: dalla valvola termoionica [[wpi> | ||
+ | */ | ||
+ | |||
+ | /* | ||
+ | Auladigitale: | ||
+ | * SI 11A.1 datasheet e contenitore | ||
+ | */ | ||
+ | |||
+ | Il diodo **ideale** | ||
+ | * resistenza nulla se polarizzato direttamente (si comporta come un cortocircuito) | ||
+ | * resistenza infinita se polarizzato inversamente (si comporta come un interruttore aperto) | ||
+ | |||
+ | Il diodo **reale** (//figura 3//) si discosta da questo modello perché: | ||
+ | * polarizzato direttamente conduce solo se si supera la **tensione di soglia V< | ||
+ | * quando conduce presenta una resistenza non nulla e una **caduta di tensione V< | ||
+ | * polarizzato inversamente presenta una **corrente di fuga** in genere trascurabile (nell' | ||
+ | * polarizzato inversamente conduce corrente se si supera la **tensione di rottura V< | ||
+ | * la corrente di fuga e la caduta di tensione in polarizzazione diretta dipendono dalla temperatura (la prima aumenta e la seconda diminuisce con T) | ||
+ | |||
+ | A seconda dei casi il comportamento del diodo reale può essere approssimato con uno dei due modelli di //figura 4//: | ||
+ | * il primo coincide con quello del diodo ideale ma considera una //cdt// costante (0,7÷0,8V per i diodi al silicio e 0,3÷0,4V per quelli al germanio) | ||
+ | * nel secondo la //cdt// non è più costante e si tiene conto della tensione di soglia e della resistenza differenziale (considerata costante) ((la resistenza differenziale è la pendenza dv/di nell' | ||
+ | |||
+ | I modelli visti finora sono lineari a tratti e permettono di applicare allo studio dei diodi i metodi delle reti lineari appresi nel corso di terza. Questo consente di trovare delle soluzioni analitiche invece che ricorrere alle soluzioni grafiche tipiche dei componenti non lineari. | ||
+ | |||
+ | Osserviamo che la //figura 5// è interessante perché evidenzia: | ||
+ | * la cosiddetta //retta di carico// che dipende dalle caratteristiche del generatore equivalente in serie al diodo | ||
+ | * il //punto di funzionamento a riposo// Q, intersezione della caratteristica del diodo e della retta di carico, intorno al quale oscilla il punto di funzionamento quando alla tensione continua si sovrappone una componente alternata | ||
+ | ==== Extra ==== | ||
+ | |||
+ | * scheda di laboratorio 11A.2 Tracciamento della caratteristica di trasferimento di un diodo (simulazione e caratteristica all' | ||
+ | * scheda integrativa 11A.1 I diodi commerciali (caratteristiche tecniche dai data sheet) | ||
+ | * data sheet 1N4148, 1N4007 | ||
+ | * non solo teoria 1 L' | ||
+ | * Problemi svolti: 2 | ||
+ | |||
+ | ===== 3 I circuiti raddrizzatori ===== | ||
+ | |||
+ | Una delle applicazioni più importanti del diodo è quella dei circuiti raddrizzatori che si occupano di convertire un segnale bidirezionale in uno unidirezionale (vedi sezione 1C del libro di terza per le definizioni sui segnali). Questi circuiti sono impiegati negli alimentatori dove la tensione di rete alternata viene abbassata, raddrizzata e infine livellata per ottenere una tensione continua. | ||
+ | |||
+ | ==== Raddrizzatori monofase a semionda ==== | ||
+ | |||
+ | Un semplice diodo inserito tra il generatore e il carico è in grado di convertire una tensione alternata sinusoidale in una unidirezionale (pulsante) dove è presenta solo la semionda positiva. La //figura 6// mostra il circuito e la caratteristica di trasferimento del circuito raddrizzatore. | ||
+ | |||
+ | Il comportamento del circuito reale è messo in evidenza dalla //figura 7// dove: | ||
+ | * il diodo entra in conduzione solo oltre la tensione di soglia V< | ||
+ | * il valore di picco V< | ||
+ | |||
+ | Il valore medio e quello efficace della tensione raddrizzata si calcolano così (vedi sez. C1 del libro di terza): | ||
+ | |||
+ | $$V_(om) = V_(oP) /pi$$ | ||
+ | |||
+ | $$V_(oeff) = V_(oP)/2$$ | ||
+ | |||
+ | La tensione raddrizzata, | ||
+ | |||
+ | $$r=V_(oaceff)/ | ||
+ | |||
+ | dove V< | ||
+ | |||
+ | ==== Raddrizzatori monofase a onda intera (o a doppia semionda) ==== | ||
+ | |||
+ | Il raddrizzatore più utilizzato è quello a onda intera, in particolare quello a **ponte di Graetz** mostrato in //figura 8a//. Il ponte, che contiene quattro diodi che conducono a coppie alternativamente, | ||
+ | |||
+ | $$V_(om) = (2 V_(oP)) /pi$$ | ||
+ | |||
+ | $$V_(oeff) = V_(oP)/ | ||
+ | |||
+ | dove la tensione di picco V< | ||
+ | * il valore medio è doppio | ||
+ | * l' | ||
+ | * il fattore di ripple è molto migliore e vale 48% | ||
+ | |||
+ | Inoltre il ponte è facile da utilizzare perché disponibile in forma integrata. | ||
+ | |||
+ | ==== Raddrizzatori trifase ==== | ||
+ | |||
+ | In ambito industriale, | ||
+ | |||
+ | $$V_(om) = (3 sqrt(3))/(2 pi) V_(oP)$$ | ||
+ | |||
+ | $$r=17,7%$$ | ||
+ | |||
+ | Con i raddrizzatori trifase a ponte (a onda intera) è possibile ottenere risultati ancora migliori. La //figura 10a// mostra il circuito e la //figura 10d// mostra l' | ||
+ | |||
+ | $$V_(om) = (3 sqrt(3))/pi V_(oP)$$ (dove con V< | ||
+ | |||
+ | $$r=4,04%$$ | ||
+ | |||
+ | ==== Raddrizzatori su carico ohmico-indutivo ==== | ||
+ | |||
+ | Fin qui si è fatta l' | ||
+ | |||
+ | Il caso dei motori in continua è leggermente più complesso perché oltre alla componente RL è presente una tensione E proporzionale alla velocità di rotazione del motore. La situazione, descritta nella //figura 14//, è simile alla precedente e il problema della diminuzione del valore medio della tensione raddrizzata può essere risolto allo stesso modo. | ||
+ | |||
+ | === Extra === | ||
+ | |||
+ | * Problemi svolti: 4 (semionda), 5 (triangolare), | ||
+ | * Problemi da svolgere: 20 (tutti e tre i casi) | ||
+ | * Simulazione 200MV11A((NB impostazione non default per la simulazione interattiva: | ||
+ | ===== 4 Alimentatori con filtro capacitivo ===== | ||
+ | |||
+ | Negli alimentatori la tensione continua viene ottenuta livellando la tensione raddrizzata con un filtro capacitivo. La soluzione più semplice è quella di mettere un condensatore in parallelo al carico, come mostrato nelle //figure 16 e 17//. | ||
+ | |||
+ | Senza il carico R< | ||
+ | |||
+ | Osserviamo che: | ||
+ | * per ottenere un buon risultato la costante di tempo deve essere molto maggiore del periodo di // | ||
+ | * la tensione livellata presenta ancora una ondulazione, | ||
+ | * l' | ||
+ | |||
+ | ==== Dimensionamento del filtro capacitivo ==== | ||
+ | |||
+ | Approssimando la // | ||
+ | |||
+ | ^ ^ semionda ^ onda intera ^ | ||
+ | | ondulazione|$$Deltav_o = I_o/ | ||
+ | | componente continua|$$V_(\C\C)=V_(oP)-I_o/ | ||
+ | | fattore di ripple| $$r=1/ | ||
+ | |||
+ | Osserviamo che: | ||
+ | * il raddrizzatore a semionda ha caratteristiche peggiori (fattore di ripple e un' | ||
+ | * l' | ||
+ | * tutti i parametri migliorano all' | ||
+ | |||
+ | Considerando anche che con valori sufficientemente elevati di C la scarica è quasi lineare ((Δv/Δt costante)) e la corrente al carico continua, sembrerebbe opportuno scegliere un valore molto grande per la capacità. Questo non è possibile perché bisogna tener conto di ciò che avviene durante la carica, in particolare che: | ||
+ | * la durata della carica è via via minore all' | ||
+ | * la corrente che circola durante la carica ha un andamento impulsivo con un valore di picco elevato perché deve compensare in breve tempo la carica ((Q=IΔt)) ceduta lentamente durante la scarica (vedi //figura 18//) | ||
+ | |||
+ | In conclusione un valore di capacità elevata diminuisce l' | ||
+ | |||
+ | Per dimensionare i diodi si considerano: | ||
+ | * il valor medio della corrente impulsiva I< | ||
+ | * il valore di picco della corrente impulsiva I< | ||
+ | * la massima tensione inversa V< | ||
+ | |||
+ | e i corrispondenti parametri nei datasheet, cioè: | ||
+ | * la massima corrente media in conduzione diretta I< | ||
+ | * il valore di picco periodico della corrente in conduzione diretta I< | ||
+ | * la massima tensione inversa periodica V< | ||
+ | |||
+ | Il trasformatore si dimensiona calcolando il valore efficace della tensione al secondario e la potenza apparente dopo aver ricavato il valore efficace della corrente al secondario con una formula pratica. Nel caso del raddrizzatore a ponte: | ||
+ | |||
+ | $$V_(ieff)=V_(iP)/ | ||
+ | |||
+ | === Extra === | ||
+ | |||
+ | * Esempio: 3 | ||
+ | * Problemi svolti: 9 e 10 (dimensionamento) | ||
+ | * Problemi da svolgere: 21 (ponte), 23 (semionda) | ||
+ | * scheda di laboratorio 11A.4 Analisi sperimentale di un alimentatore con filtro capacitivo e raddrizzatore a semionda | ||
+ | |||
+ | ===== 5 I diodi zener ===== | ||
+ | |||
+ | I diodi zener sono costruiti per funzionare in polarizzazione inversa nella zona di breakdown. Presentando un valore noto e stabile della della tensione di rottura sono usati per produrre tensioni di riferimento (ad esempio per per stabilizzare la tensione di un alimentatore). | ||
+ | |||
+ | I diodi zener si comportano come normali diodi ma: | ||
+ | * hanno un valore basso e noto con precisione della tensione di rottura V< | ||
+ | * sono disponibili con diversi valori di tensione di zener (tra 2 e 70 Volt) | ||
+ | |||
+ | Il circuito di //figura 20// è l' | ||
+ | * la tensione al carico non cambia al cambiare di V< | ||
+ | * la tensione al carico non cambia al variare del carico (e quindi della corrente I< | ||
+ | |||
+ | Per un corretto funzionamento del circuito occorre verificare: | ||
+ | * che lo zener sia in piena conduzione, cioè che la corrente nel diodo sia superiore alla corrente minima di conduzione I< | ||
+ | * che il diodo e la resistenza R siano in grado di sopportare la potenza dissipata | ||
+ | |||
+ | Per verificare la prima condizione occorre dimensionare la resistenza R in modo che il diodo conduca anche nel caso peggiore, cioè quando la tensione in ingresso è minima e la corrente richiesta dal carico massima, imponendo: | ||
+ | |||
+ | $$R< | ||
+ | |||
+ | Per verificare la seconda condizione occorre valutare la corrente massima sul diodo e sulla resistenza nel caso peggiore, cioè quando la tensione in ingresso è massima e la corrente richiesta dal carico minima: | ||
+ | |||
+ | $$I_(RMAX)=(V_(IMAX)-V_Z)/ | ||
+ | |||
+ | $$I_(ZMAX)=I_(RMAX)-I_(Lmin)$$ | ||
+ | |||
+ | e calcolare le rispettive potenze: | ||
+ | |||
+ | $$P_(RMAX)=RI_(RMAX)^2$$ | ||
+ | |||
+ | $$P_(ZMAX)=V_Z I_(ZMAX)$$ | ||
+ | |||
+ | ==== Limiti del circuito stabilizzatore ==== | ||
+ | |||
+ | Fin qui abbiamo fatto l' | ||
+ | |||
+ | $$Delta V_Z=Delta I_Z r_Z$$ | ||
+ | |||
+ | |||
+ | === Extra === | ||
+ | |||
+ | * Esempio: 5 | ||
+ | * Problemi svolti: 11, 12 (variazioni Vi), 14 (variazioni carico) | ||
+ | * Problemi da svolgere: 24, 25 | ||
+ | |||
+ | ===== 6 Altri tipi di diodi ===== | ||
+ | |||
+ | ==== Diodi LED ==== | ||
+ | |||
+ | I diodi LED (//Light Emmiting Diode//) emettono luce in conduzione diretta. Rispetto ad altri sistemi di illuminazione presentano questi vantaggi: | ||
+ | * basso consumo | ||
+ | * ingombro ridotto | ||
+ | * lunga durata | ||
+ | |||
+ | Le caratteristiche sono simili a quelle dei diodi raddrizzatori ma presentano una //cdt// maggiore (1,5÷2 Volt nei LED rossi, verdi e gialli e 2÷4 Volt in quelli blu) e una tensione di rottura molto bassa (2÷5 Volt). I diodi IRED (//InfraRed Emitting Diode//) emettono luce all' | ||
+ | |||
+ | ==== Fotodiodi ==== | ||
+ | |||
+ | I fotodiodi sono utilizzati come rivelatori ottici (trasduttori) e sono caratterizzati da un aumento della conducibilità in polarizzazione inversa se investiti da una radiazione luminosa. | ||
+ | |||
+ | ==== Diodi varicap ==== | ||
+ | |||
+ | I diodi varicap sono utilizzati nei circuiti in alta frequenza (ad esempio nei sintonizzatori) e si comportano come condensatori a capacità variabile. I valori di capacità che si possono ottenere sono molto piccoli e si ottengono variando la tensione di polarizzazione inversa sulla giunzione PN del diodo. | ||
+ | |||
+ | ==== Diodi Schottky ==== | ||
+ | |||
+ | I diodi Schottky sono usati negli integrati e nelle applicazioni in commutazione; | ||
+ | |||
+ | ===== 7 La fisica dei diodi ===== | ||
+ | |||
+ | ==== Semiconduttori ==== | ||
+ | |||
+ | I materiali semiconduttori presentano caratteristiche intermedie rispetto a conduttori ed isolanti. I più utlizzati sono il silicio e il germanio; entrambi presentano una struttura cristallina dove in ogni atomo quattro elettroni di valenza formano un legame covalente con quattro atomi confinanti. | ||
+ | |||
+ | I semiconduttori puri hanno una **conducibilità intrinseca** piuttosto bassa dovuta alla presenza di due portatori di carica presenti in ugual numero: | ||
+ | * **elettroni liberi**, che si formano fornendo energia sufficiente a rompere i legami covalenti | ||
+ | * **lacune** (//hole// in inglese), che si formano negli atomi che hanno perso un elettrone e vanno considerate come cariche positive | ||
+ | |||
+ | Le lacune non sono particelle (come i protoni) ma possono dar luogo a un tipo di conduzione dove a spostarsi è la carica positiva, intesa come mancanza di un elettrone: | ||
+ | * un atomo che ha perso un elettrone (libero) diventa sede di una lacuna | ||
+ | * un elettrone di valenza di un atomo confinante si sposta e occupa la lacuna | ||
+ | * la lacuna è ora presente nell' | ||
+ | ==== Il drogaggio ==== | ||
+ | |||
+ | Il drogaggio consente di aumentare la conducibilità dei semiconduttori inserendo piccole quantità di elementi | ||
+ | |||
+ | La conduciblità dovuta al drogaggio di un semiconduttore è chiamata **estrinseca**. Le cariche aggiunte tramite il drogaggio vengono dette **maggioritarie** distinte da quelle **minoritarie** presenti anche nei semiconduttori puri. | ||
+ | ==== Correnti di diffusione e di deriva ==== | ||
+ | |||
+ | In un semiconduttore possono coesistere due tipi di corrente: | ||
+ | * quella di **diffusione**, | ||
+ | * quella di **deriva**, dovuta alla presenza di un campo elettrico esterno | ||
+ | ==== La fisica della giunzione PN ==== | ||
+ | |||
+ | La giunzione PN è la zona dove vengono a contatto due parti di semiconduttore sottoposte a drogaggio di tipo P e N. Nella giunzione si crea una **zona di svuotamento** priva di cariche libere perché la non omogenea distribuzione di cariche dà luogo alla diffusione e ricombinazione delle cariche maggioritarie nei pressi della giunzione (elettroni da N a P e lacune da P a N) con la conseguente formazione di un campo elettrico dovuto agli ioni positivi e negativi restanti (vedi //figura 26//). Il campo elettrico si comporta da barriera di potenziale, impedendo la diffusione di ulteriori cariche maggioritarie, | ||
+ | |||
+ | Polarizzando direttamente la giunzione si favorisce la conduzione delle cariche maggioritarie; | ||
+ | |||
+ | Polarizzando inversamente la giunzione si favorisce la corrente di deriva delle cariche minoritarie che, data la loro concentrazione, | ||
+ | ==== Tensione di Breakdown ==== | ||
+ | |||
+ | La conduzione in polarizzazione inversa è dovuta a due fenomeni: | ||
+ | * l' effetto zener, che si manifesta per tensioni inferiori a 10 Volt, dove a causa del campo elettrico si formano elettroni liberi che si spostano da P a N (si comportano da cariche minoritarie) | ||
+ | * l' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ===== Navigazione ===== | ||
+ | |||
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sezione_11a.txt · Ultima modifica: 2021/03/12 08:54 da admin