Diodo: Funzionamento Fisico e Applicazioni

Un diodo è un componente elettrico con la proprietà di base che la corrente elettrica lo attraversa solo in una direzione. Questa proprietà è essenziale per convertire l’alimentazione, motivo per cui i diodi si trovano spesso negli adattatori e in altri circuiti raddrizzatori. Il tipo di diodo più comunemente usato oggi è il diodo a semiconduttore.

Alcuni diodi possono emettere luce. Questi sono chiamati diodi emettitori di luce o LED. Le lampadine a LED commerciali sono disponibili dagli anni ’60 , ma gli sviluppi tecnici e i miglioramenti negli anni ’90 e 2000 hanno notevolmente aumentato la loro popolarità. Questa sorgente luminosa aiuta a ridurre il consumo di energia ed evita la contaminazione da mercurio delle lampade fluorescenti compatte.

Un altro importante vantaggio è che i LED non si esauriscono quasi mai come le tradizionali lampadine a incandescenza . La fisica di questi diodi è strettamente correlata a quella delle celle fotovoltaiche. I LED assorbono elettricità e producono luce, mentre le celle fotovoltaiche assorbono luce e producono elettricità .

Che cos’è un diodo e come funziona effettivamente?

Come funziona un diodo può essere difficile da capire in quanto coinvolge una meccanica e fisica abbastanza avanzata. Tuttavia, al livello più elementare, si può capire come funziona un diodo osservando il flusso di cariche positive (o “buchi”) e cariche negative (gli elettroni).

Tecnicamente, un diodo a semiconduttore è chiamato giunzione PN. Queste giunzioni PN sono importanti anche per il funzionamento di una cella fotovoltaica. Affinché il diodo funzioni correttamente, è necessario un processo chiamato doping. I semiconduttori possono essere drogati con materiali in modo che abbiano un eccesso di elettroni facilmente spostabili, comunemente indicati come regione di tipo negativo o n. Possono anche essere drogati con elementi che creano un eccesso di lacune che assorbono prontamente questi elettroni, comunemente indicati come la regione positiva o di tipo p. Le aree negativa e positiva del diodo sono anche il catodo e l’anodo del componente.

Le differenze tra questi due materiali e le loro interazioni su distanze molto brevi (meno di un millimetro) danno come risultato un diodo quando i due tipi sono messi insieme. La giunzione di questi due tipi crea la giunzione pn e l’area tra i due lati è chiamata zona di svuotamento perché gli elettroni si diffondono fuori dalla regione di tipo n e riempiono alcuni dei buchi nella regione di tipo p.

Un diodo (giunzione PN) in un circuito consente alla corrente di fluire più facilmente in una direzione rispetto all’altra. La polarizzazione diretta significa che una tensione viene applicata a un diodo che consente un facile flusso di corrente, mentre la polarizzazione inversa significa che una tensione viene applicata a un diodo nella direzione opposta.

Vediamo quindi alcuni tipi di diodo.

Diversi tipi di diodi

Diversi tipi di diodi hanno requisiti di tensione diversi. Per i diodi al silicio la tensione diretta è 0,7 V e per il germanio è 0,3 V. Per i diodi al silicio la banda scura indica il terminale del catodo e l’altro terminale è l’anodo. Generalmente, i diodi vengono utilizzati per l’inversione di polarità e la protezione transitoria. Esistono molti tipi di diodi, alcuni dei quali sono elencati di seguito.

Diodo di piccolo segnale

È un piccolo dispositivo con caratteristiche sproporzionate le cui applicazioni sono principalmente in dispositivi ad alta frequenza e bassissima corrente come radio e televisori ecc. Per proteggere il diodo dalla contaminazione, è racchiuso in un vetro, quindi è anche noto come diodo passivato in vetro. Un bordo è contrassegnato con vernice nera o rossa per identificare la connessione del catodo. Per le applicazioni ad alta frequenza, le prestazioni del diodo di piccolo segnale sono molto efficaci.

Diodo di segnale grande

Questi diodi hanno una grande giunzione PN. Ciò significa che la conversione delle tensioni è illimitata. Ciò porta anche ad un aumento della capacità di trasporto della corrente diretta e della tensione di blocco dell’inversione. Questi grandi segnali disturbano anche il punto operativo. Per questo motivo non è adatto per applicazioni ad alta frequenza.

Le principali applicazioni di questi diodi sono nei caricabatteria come gli inverter. Per questi diodi, l’intervallo di resistenza diretta è in ohm e l’intervallo di resistenza inversa-indietro è in mega-ohm. Poiché hanno caratteristiche di corrente e tensione elevate, possono essere utilizzati in apparecchiature elettriche utilizzate per sopprimere tensioni transitorie elevate.

Diodo zener

Il diodo zener è un elemento passivo che funziona secondo il principio della rottura dello zener. È simile a un normale diodo polarizzato in avanti e consente anche una corrente polarizzata inversa quando la tensione applicata raggiunge la tensione di rottura. È progettato per proteggere gli altri componenti a semiconduttore da impulsi di tensione momentanei. Funge da regolatore di tensione.

Diodo a emissione di luce (LED)

Questi diodi convertono l’energia elettrica in energia luminosa. La prima produzione iniziò nel 1968. Il LED passa attraverso un processo di elettroluminescenza in cui i fori e gli elettroni vengono ricombinati per produrre energia sotto forma di luce nella direzione in avanti.

In precedenza, i LED venivano utilizzati nelle lampade a induzione, ma ora vengono utilizzati in nuove applicazioni nella tecnologia ambientale e delle attività. Molto spesso vengono utilizzati in applicazioni come l’illuminazione di aeromobili, i segnali stradali e i flash delle fotocamere.

Diodi a corrente costante

Il diodo a corrente costante è anche noto come diodo di regolazione della corrente o diodo a corrente costante o diodo limitatore di corrente o transistor a commutazione di diodo. La funzione del diodo è di regolare la tensione ad una data corrente. Funziona come un limitatore di corrente a due terminali. In questo JFET, funge da limitatore di corrente per ottenere un’elevata impedenza di uscita.

Applicazioni per diodi

Sappiamo che un diodo consente alla corrente di fluire solo in una direzione e quindi funge da interruttore unidirezionale. Il diodo è realizzato con materiali di tipo P e N e ha due terminali: anodo e catodo. Questo dispositivo può essere azionato controllando la tensione applicata ad esso.

Quando la tensione applicata all’anodo è positiva rispetto al catodo, il diodo diventa polarizzato in avanti. Se la tensione applicata al diodo è maggiore della soglia (generalmente 0,6 V), il diodo agisce come un cortocircuito e consente alla corrente di fluire. Se la polarità della tensione viene cambiata, cioè il catodo viene reso positivo rispetto all’anodo, diventa polarizzato inversamente e agisce come un circuito aperto in modo che non possa fluire corrente.

Le applicazioni dei diodi includono sistemi di comunicazione come limitatori, clipper, cancelli, porte logiche, clamper; sistemi di alimentazione come raddrizzatori e inverter; rilevatori di fase, limitatori, clamper; Circuiti radar come circuiti di controllo del guadagno, amplificatori parametrici, ecc.

Prima di approfondire le diverse applicazioni dei diodi, diamo una rapida panoramica delle applicazioni tipiche dei diodi:

• raddrizzatore
• circuito clipper
• circuiti a pinza
• circuiti di protezione contro le correnti inverse
• In porte logiche
• moltiplicatori di tensione

Vediamo alcune di queste applicazioni nel dettaglio.

Diodi per la soppressione dei picchi di tensione

Nel caso di un’induttanza o di carichi induttivi, l’improvvisa rimozione della sorgente di alimentazione crea una tensione maggiore a causa dell’energia del campo magnetico immagazzinata. Questi picchi di tensione imprevisti possono causare danni significativi ai componenti del circuito. Pertanto, un diodo viene posizionato attraverso l’induttanza o i carichi induttivi per limitare i grandi picchi di tensione. Questi diodi sono anche chiamati in modo diverso in diversi circuiti, come diodo snubber, diodo di blocco, diodo soppressore, quello a ruota libera, ecc.

Nella figura sopra, il diodo a ruota libera è collegato attraverso il carico induttivo per sopprimere i picchi di tensione in un induttore. Quando l’interruttore viene aperto improvvisamente, si crea un picco di tensione nell’induttanza. Pertanto, il diodo a ruota libera fornisce il percorso sicuro per il flusso di corrente per scaricare la tensione offerta dal picco di tensione.

Diodi nei pannelli solari

I diodi utilizzati per proteggere i pannelli solari sono chiamati diodi di bypass. Se il pannello solare è rotto o danneggiato, o ombreggiato da foglie cadute, neve e altri ostacoli, la potenza di uscita complessiva diminuirà e si verificheranno danni ai punti caldi perché la corrente delle celle rimanenti deve fluire attraverso questa cella rotta o in ombra, con conseguente un surriscaldamento. La funzione principale del diodo di bypass è proteggere le celle solari da questo problema di riscaldamento del punto caldo.

La figura sopra mostra il collegamento dei diodi di bypass nelle celle solari. Questi diodi sono collegati in parallelo alle celle solari. Ciò limiterà la tensione attraverso la cella solare difettosa e consentirà la corrente dalle celle solari buone al circuito esterno. In questo modo il problema del surriscaldamento viene ridotto limitando il flusso di corrente attraverso la cella solare difettosa.