Circuiti con diodi: raddrizzatori, Zener, protezioni, LED e celle solari

Il comportamento a senso unico del diodo è alla base di circuiti che si trovano ovunque: gli alimentatori che trasformano la tensione alternata della rete in continua, i regolatori di tensione, le protezioni degli ingressi, e poi i diodi che emettono e assorbono luce. In questa lezione li analizziamo con i modelli semplici della lezione precedente.

Il raddrizzatore a una semionda

Un generatore sinusoidale, un diodo e un carico in serie: quando la tensione è positiva il diodo conduce e il carico vede la semionda positiva (meno circa 0,7 V); quando è negativa il diodo è interdetto e sul carico non c’è tensione. L’uscita ha un valore medio diverso da zero, ma pulsa.

Per renderla quasi costante si aggiunge un condensatore in parallelo al carico. Durante il picco il diodo conduce e carica il condensatore alla tensione di picco; poi la sinusoide scende, il diodo si interdice e il condensatore alimenta il carico scaricandosi lentamente, finché il picco successivo lo ricarica.

L’ondulazione

Calcolo. Se l’ondulazione è piccola, il condensatore fornisce al carico una corrente quasi costante per quasi tutto il periodo tra due ricariche. La carica persa è , e da :

dove è la frequenza delle ricariche: 50 Hz per il raddrizzatore a una semionda, 100 Hz per quello a doppia semionda.

Il ponte di Graetz. Quattro diodi a ponte fanno passare nel carico entrambe le semionde, sempre nello stesso verso. La frequenza delle ricariche raddoppia e l’ondulazione si dimezza, ma la corrente attraversa due diodi in serie e la caduta diventa circa 1,4 V.

Esempio. Trasformatore da 12 V efficaci, ponte, carico da 0,5 A, condensatore da 4700 µF. Picco: V. Ondulazione: V. L’uscita oscilla tra circa 14,5 e 15,6 V; un regolatore a valle la porta poi a un valore stabile, per esempio 12 V.

Un dettaglio importante: il diodo conduce solo per una piccola frazione del periodo, vicino al picco, con impulsi di corrente molto più alti della corrente media. È la causa del basso fattore di potenza degli alimentatori, di cui si parla nella lezione sulla potenza di Elettrotecnica.

Il regolatore con diodo Zener

Un resistore in serie e un diodo Zener in parallelo al carico: lo Zener in breakdown tiene ai suoi capi una tensione quasi costante , e assorbe la corrente in eccesso.

Esempio. Ingresso 12 V, Zener da 5,1 V, Ω. La corrente in è mA. Con un carico che assorbe 20 mA, nello Zener ne passano 11,4. Se il carico chiede più di 31,4 mA la regolazione si perde; se il carico si stacca, lo Zener deve dissipare W.

È semplice ma poco efficiente; oggi si usa soprattutto come riferimento di tensione, mentre la potenza la gestiscono regolatori lineari integrati o convertitori a commutazione.

Limitatori e protezioni

• Limitatore (clipper): due diodi in antiparallelo verso massa tagliano un segnale a circa ±0,7 V. Si usano per proteggere ingressi delicati.
• Protezione dalle scariche elettrostatiche: ogni piedino di un circuito integrato ha due diodi, verso l’alimentazione e verso massa, che deviano le sovratensioni.
• Diodo di ricircolo: in parallelo alla bobina di un relè o di un motore, dà una strada alla corrente dell’induttore quando il transistor di comando si spegne, evitando la sovratensione vista nella lezione sui transitori.
• Protezione dall’inversione di polarità: un diodo in serie all’alimentazione blocca la corrente se la batteria viene montata al contrario.

Diodi e luce

LED. In un semiconduttore a gap diretto la ricombinazione emette luce di energia vicina al gap: rosso con circa 1,8-2 V di soglia, blu e bianco con circa 3 V. Il LED si alimenta in corrente: data la caratteristica esponenziale, una piccola variazione di tensione cambierebbe molto la corrente. Il modo più semplice è un resistore in serie: con 5 V di alimentazione, un LED rosso da 2 V e 10 mA desiderati, Ω.

Fotodiodo. Polarizzato in inversa, la corrente è proporzionale alla luce ricevuta: lettori di codici, telecomandi, fibre ottiche, sensori di luce.

Cella solare. La stessa giunzione senza alimentazione. La luce genera una corrente che scorre al contrario di quella diretta del diodo:

A circuito aperto () la tensione è : con mA e A, V. Per questo i pannelli mettono in serie decine di celle. La potenza massima si ottiene a una tensione un po’ più bassa di , ed è compito dell’inverter cercare continuamente quel punto (MPPT, inseguimento del punto di massima potenza).