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-====== 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; presenta due terminali chiamati **anodo** e **catodo** e conduce corrente solo se //polarizzato direttamente//, cioè quando si applica una tensione positiva tra anodo e catodo. Quando il diodo è //polarizzato inversamente// può entrare in conduzione se si supera la **tensione di rottura** ma questo comportamento in genere è da evitare.
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-A prescindere dall'impiego viene chiamato diodo raddrizzatore qualunque diodo che viene utilizzato senza superare la tensione di rottura, cioè come dispositivo che lascia passare la corrente in un solo verso.
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-Classificazione:
-  * diodi general purpose
-  * diodi switching (t<sub>rr</sub> bassa)
-  * diodi per piccoli segnali
-  * diodi raddrizzatori (potenza)
-  * diodi raddrizzatori veloci (per alimentatori switching)
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-curiosità: dalla valvola termoionica [[wpi>http://it.wikipedia.org/wiki/Valvola_termoionica#Diodo]] al diodo a stato solido
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-Auladigitale:
-  * SI 11A.1 datasheet e contenitore
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-Il diodo **ideale**  (//figura 1// e //figura 2//) è caratterizzato da:
-  * 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<sub>γ</sub>** (0,1÷0,2V per diodi al germanio, 0,5÷0,6V per quelli al silicio)
-  * quando conduce presenta una resistenza non nulla e una **caduta di tensione V<sub>D</sub>** (V<sub>F</sub> nei data sheet) ai suoi capi
-  * polarizzato inversamente presenta una **corrente di fuga** in genere trascurabile (nell'ordine dei nA o μA)
-  * polarizzato inversamente conduce corrente se si supera la **tensione di rottura V<sub>B</sub>** (questo tipo di funzionamento viene usato solo nei diodi zener)
-  * 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'intorno del punto di lavoro come illustrato in //figura 5//))
-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'oscilloscopio)
-  * scheda integrativa 11A.1 I diodi commerciali (caratteristiche tecniche dai data sheet)
-  * data sheet 1N4148, 1N4007
-  * non solo teoria 1 L'evoluzione dei diodi (valvola termoionica di Fleming)
-  * 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<sub>γ</sub> (e non a 0 Volt)
-  * il valore di picco V<sub>oP</sub> della tensione raddrizzata è diminuito della //cdt// sul diodo (spesso trascurabile)
-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, pur presentando una componente continua, varia sensibilmente nel tempo e non è adatta ad alimentare carichi che richiedono una tensione continua. Immaginando di scomporre la tensione in una componente continua sovrapposta ad una alternata si può quantificare l'ondulazione della tensione raddrizzata con il **fattore di ripple** (o di ondulazione) definito così:
-$$r=V_(oaceff)/V_(om)$$
-dove V<sub>oaceff</sub> è il valore efficace della sola componente alternata della tensione. Un buon raddrizzatore deve avere un basso fattore di ripple; nel caso del raddrizzatore a semionda r vale 1,21 (121% in forma percentuale).
-==== 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, produce in uscita la tensione di //figura 8c//. Il valore medio e quello efficace della tensione raddrizzata valgono:
-$$V_(om) = (2 V_(oP)) /pi$$
-$$V_(oeff) = V_(oP)/sqrt(2)$$
-dove la tensione di picco V<sub>oP</sub> corrisponde a quella di ingresso diminuita della //cdt// sui due diodi (2V<sub>D</sub>). E' facile constatare che il raddrizzatore a onda intera è migliore di quello a semionda, infatti:
-  * il valore medio è doppio
-  * l'ondulazione presenta frequenza doppia
-  * 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, quando è richiesta una potenza elevata, è presente un alimentazione trifase; in questi casi è possibile utilizzare un raddrizzatore trifase. La //figura 9a// mostra il circuito di un raddrizzatore trifase a semionda. Sono presenti tre diodi che conducono alternativamente quando la fase a cui sono collegati presenta un valore di tensione superiore alle altre due (//figura 9b//). La tensione raddrizzata, rappresentata in //figura 9c//, coincide in ogni momento con la tensione più elevata delle tre tensioni stellate e presenta caratteristiche migliori rispetto al caso monofase, infatti:
-$$V_(om) = (3 sqrt(3))/(2 pi) V_(oP)$$
-$$r=17,7%$$
-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'andamento della tensione raddrizzata, che coincide in ogni momento con la tensione più elevata tra quelle concatenate considerate positive e negative. In quest'ultimo caso il valore medio della tensione raddrizzata e il fattore di ripple valgono:
-$$V_(om) = (3 sqrt(3))/pi V_(oP)$$ (dove con V<sub>oP</sub> si intende il valore di picco della tensione stellata)
-$$r=4,04%$$
-==== Raddrizzatori su carico ohmico-indutivo ====
-Fin qui si è fatta l'ipotesi che il carico sia puramente resistivo; nella pratica è frequente il caso in cui il carico presenta anche una componente induttiva, come nel caso degli elettromagneti o dei motori in continua. Questo tipo di carichi peggiora le prestazioni del raddrizzatore perché a causa dello sfasamento introdotto dall'induttanza - e quindi del ritardo della corrente rispetto alla tensione - il diodo continua a condurre anche con tensioni in ingresso negative. Questo determina una diminuzione del valore medio della tensione raddrizzata (vedi //figura 12a//). Il problema può essere risolto inserendo un **diodo di libera circolazione** in antiparallelo al carico che entra in conduzione quando la tensione di uscita è negativa annullandola.
-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), 6 (Veff), 8 (variante con ponte)
-  * Problemi da svolgere: 20 (tutti e tre i casi)
-  * Simulazione 200MV11A((NB impostazione non default per la simulazione interattiva: simulate|interactive simulation settings|analysis options|SPICE options|customize|transient|integration methond:gear))
-===== 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<sub>L</sub> il circuito si comporta come un **rivelatore di picco**: il condensatore si carica al valore massimo della tensione //v<sub>i</sub>// e non potendo scaricarsi a causa del diodo, mantiene ai suoi capi il valore di picco della tensione di ingresso. In presenza del carico il condensatore si scarica su R<sub>L</sub> con costante di tempo τ=R<sub>L</sub>C. Scegliendo opportunamente i valori di R<sub>L</sub> e C è possibile ottenere una scarica molto lenta e di conseguenza ridurre notevolmente l'ondulazione della tensione come mostrato in //figura 16 e 17//.
-Osserviamo che:
-  * per ottenere un buon risultato la costante di tempo deve essere molto maggiore del periodo di //v<sub>i</sub>//
-  * la tensione livellata presenta ancora una ondulazione, anche se molto contenuta, intorno al valore di picco di //v<sub>o</sub>//
-  * l'andamento della tensione livellata è approssimabile a un'onda triangolare asimmetrica con un breve tratto crescente (carica del condensatore) e un lungo tratto quasi orizzontale (scarica)
-==== Dimensionamento del filtro capacitivo ====
-Approssimando la //v<sub>o</sub>// a un'onda triangolare si possono esprimere l'ondulazione Δv<sub>0</sub>, la componente continua (valore medio) in uscita V<sub>CC</sub> e il fattore di ripple del raddrizzatore a semionda e a onda intera ((dimostrabili ricordando la legge di Ohm del condensatore, l'andamento e il valore efficace della forma d'onda triangolare, la legge di Ohm sul carico)):
-^ ^ semionda ^ onda intera ^
-| ondulazione|$$Deltav_o = I_o/(fC)$$|$$Deltav_o = I_o/(2fC)$$|
-| componente continua|$$V_(\C\C)=V_(oP)-I_o/(2fC)$$|$$V_(\C\C)=V_(oP)-I_o/(4fC)$$|
-| fattore di ripple| $$r=1/(2sqrt(3)fCR_L$$|$$r=1/(4sqrt(3)fCR_L$$|
-Osserviamo che:
-  * il raddrizzatore a semionda ha caratteristiche peggiori (fattore di ripple e un'ondulazione doppi, valore medio minore)
-  * l'espressione della componente continua corrisponde a quella di un __generatore reale di tensione__ con tensione a vuoto V<sub>oP</sub> e resistenza interna 1/(2fC)
-  * tutti i parametri migliorano all'aumentare della capacità C
-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'aumentare di C (il condensatore si carica solo quando v<sub>i</sub> > v<sub>o</sub>)
-  * 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'ondulazione della tensione in uscita ma provoca la circolazione di correnti impulsive che devono essere sopportate dai diodi durante la carica. Per non sovradimensionare i diodi di solito si fa una scelta di compromesso scegliendo un fattore di ripple r=5÷15%.
-Per dimensionare i diodi si considerano:
-  * il valor medio della corrente impulsiva I<sub>Dm</sub> che deve essere uguale alla corrente continua I<sub>o</sub> erogata al carico (metà nei raddrizzatori a onda intera)
-  * il valore di picco della corrente impulsiva I<sub>DP</sub> (molto maggiore di I<sub>Dm</sub>)
-  * la massima tensione inversa V<sub>R</sub>
-e i corrispondenti parametri nei datasheet, cioè:
-  * la massima corrente media in conduzione diretta I<sub>F(AV)</sub>
-  * il valore di picco periodico della corrente in conduzione diretta I<sub>FRM</sub>
-  * la massima tensione inversa periodica V<sub>RRM</sub>
-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:
-$$V_(ieff)=V_(iP)/(sqrt(2))$$ ; $$I_(ieff)=1,8I_o$$ ; $$S=V_(ieff)I_(ieff)$$
-=== 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<sub>R</sub>, che in questi diodi è detta **tensione di zener V<sub>Z</sub>**
-  * sono disponibili con diversi valori di tensione di zener (tra 2 e 70 Volt)
-Il circuito di //figura 20// è l'esempio più semplice di **stabilizzatore lineare**; se la tensione V<sub>I</sub> supera la tensione di zener il diodo entra in conduzione imponendo una tensione costante al carico pari a V<sub>Z</sub>. La resistenza R serve a limitare la corrente nello zener e va opportunamente dimensionata. La stabilizzazione consiste nel fatto che:
-  * la tensione al carico non cambia al cambiare di V<sub>I</sub>
-  * la tensione al carico non cambia al variare del carico (e quindi della corrente I<sub>L</sub>)
-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<sub>Zmin</sub>
-  * 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:
-$$R<(V_(Imin)-V_Z)/(I_(Zmin)+I_(LMAX))$$
-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:
-$$I_(RMAX)=(V_(IMAX)-V_Z)/R$$
-$$I_(ZMAX)=I_(RMAX)-I_(Lmin)$$
-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'ipotesi che la tensione di zener sia costante; in realtà la V<sub>Z</sub> cambia con I<sub>Z</sub> perché la caratteristica del diodo nella zona di breakdown non è perfettamente verticale e l'effetto stabilizzante può essere considerato accettabile solo nei per piccole variazioni di I<sub>Z</sub>. E' possibile valutare la variazione di V<sub>Z</sub> conoscendo la resistenza differenziale r<sub>Z</sub>:
-$$Delta V_Z=Delta I_Z r_Z$$
-=== 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'infrarosso e sono utilizzati come elementi trasmettitori (ad esempio nei telecomandi).
-==== 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; presentano caratteristiche simili ai normali diodo al silicio ma un valore della tensione di soglia più basso (circa 0,3 Volt) e alta velocità di 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'atomo che ha ceduto l'elettrone, quindi si è spostata
-==== Il drogaggio ====
-Il drogaggio consente di aumentare la conducibilità dei semiconduttori inserendo piccole quantità di elementi  pentavalenti o trivalenti; nel primo caso si parla di drogaggio **tipo N** perché vengono aggiunti elettroni (cariche negative), nel secondo di drogaggio **tipo P** perché si introducono delle lacune (cariche positive).
-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**, veloce e di breve durata, dovuta alla movimento delle cariche libere quando la loro distribuzione non è uniforme
-  * 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, ma favorisce lo spostamento di cariche minoritarie in verso opposto.
-Polarizzando direttamente la giunzione si favorisce la conduzione delle cariche maggioritarie; se la tensione tra P e N supera la barriera di potenziale (tensione di soglia) la corrente assume valori non trascurabili.
-Polarizzando inversamente la giunzione si favorisce la corrente di deriva delle cariche minoritarie che, data la loro concentrazione, assume valori trascurabili (corrente di fuga).
-==== 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'effetto valanga, a tensioni superiori, dove a causa del campo elettrico le cariche minoritarie acquistano energia cinetica sufficiente a rompere i legami producendo un rapido aumento di cariche libere
-===== Navigazione =====
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