DIODI

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).

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

Simboli
3
Generico
LED
Zener
Schottky
Tunnel
Fotodiodo
Varicap / Varactor
A K
Diodo a vuoto
(tubo termoionico)

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
un circuito aperto (I=0)

Breve discorso sul diodo a vuoto
5

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

Caratteristica V-I approssimata del diodo al silicio
7
VAK
I
Polarizzazione diretta:
potenziale maggiore rispetto al
catodo: esso conduce con una
piccola resistenza
Polarizzazione inversa:
potenziale minore rispetto al
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

Concetto di “resistenza differenziale” o “dinamica”
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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:

Calcolo della resistenza differenziale
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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

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

Concetto di “retta di carico” (RDC)
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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

Come cambia la retta di carico
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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’

Diodo Schottky
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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)

Zener: Caratteristica V-I
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Il diodo Zener ha una tensione di breakdown calibrata e
viene utilizzato in breakdown come stabilizzatore di tensione.

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.

Light Emitting Diodes
16

LED emissione di luce per effetto fotoelettrico
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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.

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

Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 19
HiPower LED driver
Esempio di pilotaggio di LED a corrente costante in
modalità switching

Diodo Laser
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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).

Fotodiodi - Diodi fotorivelatori
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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

23

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.

Ampliﬁcatori a Diodo Tunnel
25

Oscillatori a Diodo Tunnel
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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.

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

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

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32

SCR & UJT in un controllo di potenza
33

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
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