Esso è un componente dell' elettronica non lineare, ed è costituito da una giunzione P-N. Il fatto che sia un componente non lineare, lo si dimostra col grafico di fig. 9.1 relativo ad un diodo ideale.
Come si vede dal grafico, il suo comportamento è diverso in funzione della tensione applicata ai suoi capi, difatti esso si comporta come la giunzione P-N, in polarizzazione diretta la corrente lo attraversa senza incontrare alcuna resistenza al passaggio, mentre in polarizzazione inversa non circola corrente e la resistenza del diodo risulta infinita. I componenti lineari, hanno un comportamento ben diverso, difatti la corrente è sempre proporzionale alla tensione applicata. I diodi reali (cioè quelli realizzabili con le recenti tecniche costruttivi), non hanno lo stesso comportamento del diodo ideale benchè in molte occasioni li si consideri come tali.
In fig. 9.2 si nota come il comportamento del diodo reale sia diverso in funzione del semiconduttore utilizzato, in polarizzazione diretta, la conduzione non avviene fino a quando non si supera un certo valore di tensione caratteristica della giunzione, questo valore di tensione vale circa 0,2V per il germanio e circa 0,6V per il silicio. Inoltre vista la piccola resistenza interna al diodo, questo valore di tensione aumenta in funzione della corrente che vi circola. genericamente per il silicio si considera una caduta totale di 1V. In polarizzazione inversa il comportamento del diodo è notevolmente diverso da quello ideale, difatti per basse tensioni, esso conduce un piccolo valore di corrente che per il silicio è di alcuni nA, mentre nel germanio raggiunge alcuni ľA. La presenza di questo valore elevato di corrente inversa nel germanio, rende i diodi realizzati con questo semiconduttore praticamente inutilizzabili (se non in applicazioni particolari). Se in polarizzazione inversa si supera un certo valore di tensione, il diodo incomincia a condurre come in polarizzazione diretta, in quanto non riesce a resistere al forte campo elettrico applicato. Come per tutti i componenti anche per i diodo esiste un simbolo (fig. 9.3) da utilizzare per la rappresentazione negli schemi.
Le lettere A e K indicano rispettivamente l' anodo e il catodo del diodo, che corrispondono rispettivamente alla zona P ed alla zona N. D' altro canto nella zona P sono presenti delle lacune (ioni positivi e quindi anioni), mentre nella zona N sono presenti cariche libere (ioni negativi e quindi cationi).
In pratica il diodo si presenta in forme diverse in funzione della corrente da sopportare, e dalla tensione inversa applicabile. In figura 9.4 sono riportate le forme più tipiche dei diodi commerciali.
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| Fig. 9.4 | |||
Per i diodi di piccole dimensioni il riconoscimento dell' anodo e del catodo, è possibile mediante un piccolo anello sul corpo che indica il catodo, per dimensioni maggiori, viene stampigliato sul corpo il simbolo del diodo.
Tra le molteplici applicazioni del diodo, quella del raddrizzatore è sicuramente la più utilizzata. Per raddrizzatore si intende un dispositivo in grado di convertire la corrente alternata in corrente continua, è abbastanza noto che in elettronica l' uso della corrente continua è fondamentale, e quindi bisogna trovare il modo di disporre della C.C. senza incorrere in grandi spese. Visto che l' energia elettrica (per convenienza) viene fornita sotto forma di corrente alternata, è indispensabile poterla trasformare in continua per le varie applicazioni. A tale scopo si utilizza il raddrizzatore (fig. 10.1.a).
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| Fig. 10.1.a | Fig. 10.1.b |
Nella prima parte del circuito è rappresentato un trasformatore, esso serve ad adattare il valore di tensione disponibile sulla rete elettrica col valore desiderato in uscita dal circuito. La tensione V1 in uscita dal trasformatore è di tipo alternato, (la corrente cambia polarità con cicli periodici ed uguali passando da un massimo positivo a zero e poi ad un massimo negativo). Facendo riferimento al grafico di fig. 10.1.b, si nota come sia l' andamento della tensione V1 nel tempo, e come si alternino valori positivi a valori negativi nei confronti dello zero (rappresentato dall' asse delle ascisse). Quando in uscita dal trasformatore è presente una semionda positiva, il diodo risulta essere polarizzato direttamente, e quindi si ha una circolazione di corrente che dal trasformatore mediante il diodo raggiunge la resistenza di carico. Invertendosi poi la polarità della tensione in uscita dal trasformatore, il diodo risulta essere polarizzato inversamente e quindi non lascia circolare corrente (la sua resistenza è infinita), e sulla resistenza di carico non circola corrente. Se si mettono in successione queste due considerazioni si nota che sulla resistenza di carico circola corrente solo quando il diodo è polarizzato direttamente, e la tensione ai capi della resistenza assume l' andamento della V2, cioè una corrente continua e pulsante. Benchè ai capi della resistenza la corrente sia pulsante, essa è continua in quanto circolano solo semionde di segno positivo. Il valore della tensione ai capi della resistenza (V2) ha valore inferiore a quello di V1, ed è esattamente la metà.
V2 = V1/2 [V]
Il raddrizzatore a semionda non è certo il tipo migliore tra quelli realizzabili, difatti utilizzando un trasformatore leggermente diverso ed aggiungendo un diodo (fig. 11.1.a) si ottiene un effetto migliore. Il Trasformatore ha la particolarità di avere due avvolgimenti secondari uguali, collegati tra di loro dal morsetto centrale (morsetto di zero), la caratteristica di questo trasformatore, è quella di dare due tensioni in uscita completamente uguali di valore, ma sfasate tra di loro di 180 gradi (fig. 11.1.b).
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| Fig. 11.1.a | Fig. 11.1.b |
Sulla resistenza di carico giungono due semionde (diverse), la prima arriva dal diodo D1 che conduce quando è polarizzato direttamente, contemporaneamente il diodo D2 è polarizzato inversamente e non conduce. Quando il diodo D1 (grazie all' inversione di polarità della tensione) è polarizzato inversamente, conduce il diodo D2 che lascia passare corrente verso la resistenza di carico. Le correnti I' e I" che escono rispettivamente dal diodo D1 e D2 si sommano sulla resistenza di carico dando luogo alla corrente I (fig. 11.1.a) che ha lo stesso andamento della tensione V3 (fig. 11.1.b).
Questo raddrizzatore risulta migliore dei quello a semionda, in quanto al carico giunge una tensione continua con valore maggiore, (ed uguale a V1 e V2).
È sicuramente il tipo più diffuso dei raddrizzatori esistenti, la sua semplicità di realizzazione, e la necessita di un trasformatore normale, rendono questo raddrizzatore il più pratico sotto tutti gli aspetti. Esso è costituito dal solito trasformatore che serve ad adattare la tensione di linea con quella desiderata in uscita, e da 4 diodi opportunamente collegati (fig. 12.1.a).
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| Fig. 12.1.a | Fig. 12.1.b |
Per analizzare il funzionamento di questo raddrizzatori bisogna dividere il funzionamento in due momenti. Nel primo caso si considera che la semionda positiva fuoriesca dalla parte alta del trasformatore, e quindi nella parte inferiore si trova lo zero. la semionda uscendo dal trasformatore si trova su un primo nodo al quale sono collegati D1 e D2, ma solo D2 è polarizzato direttamente, e quindi la corrente I1 (rossa) lo attraversa e si sposta sul secondo nodo che vede la resistenza di carico (RC) e D4. Siccome anche D4 è inversamente polarizzato la corrente I1 attraversa la resistenza andando verso il nodo formato da D3 e D1, ora Sia D3 che D1 sembrerebbero direttamente polarizzati, ma solo D4 lo è perchè D1 è sottoposto ad una tensione maggiore dalla parte del catodo. La corrente attraverso D3 raggiunge l' altro polo del trasformatore. Quando avviene l' inversione di polarita della sinusoide, si considera positivo il polo inferiore del trasformatore, ed il polo superiore funge da zero. Anche in questo caso la semionda mediante il primo nodo raggiunge la resistenza RC attraverso il D4 in quando D3 si trova polarizzato inversamente, la corrente I2 attraversa la resistenza nella stessa direzione della I1, e ritorna verso il trasformatore mediante D1. Il risultato è che la tensione alternata applicata al ponte raddrizzatore viene resa continua sul carico dando luogo alla V2 (fig. 12.1.b).
Anche in questo caso il valore di tensione ottenuto sul carico (V2) è uguale a quello fornito in ingresso al raddrizzatore (V1), (ovviamente vanno sempre sotratte le cadute di tensione dei due diodi). In verità va detto che il valore di V2 per quanto non ci fossero le cadute dei diodi sarebbe sempre lievemente inferiore a quello di V1 dal momento che si passa da un valore efficace (V1) ad un valore medio (V2).
Non sempre sugli schemi il ponte di Graetz viene rappresentato con i quattro diodi in vista, alcune volte lo si rappresenta in forma "abbreviata" (fig. 12.2), in quanto esso è disponibile in commercio già realizzato.
