4 - Diodi (parte 1)

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[fullimg=100]http://images.nonsologaming.com/diodi_corso.jpg[/fullIMG]

Riprende la serie di articoli dedicati all'elettronica, e annuncio la prossima pubblicazione della prima parte della guida (parte teorica e spiegazione dello scopo dei componenti) in formato PDF.

Seguiranno poi gli articoli di pratica, partendo dalla guida alla saldatura, procedendo con la guida al corretto utilizzo del multimetro e con i primi circuiti base da costruire.

La difficoltà di realizzazione dei circuiti andrà via via aumentando.

Come per tutti gli altri componenti, i diodi sono differenziati secondo le loro caratteristiche, ma nei circuiti che andremo a realizzare inizialmente faremo utilizzo solo di alcuni diodi 1N4004, di facile reperibilità e di comune impiego.

 

Le caratteristiche dei diodi

Il diodo è un dispositivo elettronico che in un utilizzo ideale permette il flusso di corrente elettrica in un verso mentre la blocca completamente se il flusso di corrente cerca di attraversare il diodo in senso inverso.

In poche parole, la corrente nel diodo passa in una sola direzione, mentre si comporta come un circuito aperto (nessun passaggio di corrente) se la corrente cerca di attraversarlo in direzione inversa.

 

L'animazione fa schifo (non mi è venuta troppo bene asd), ma può aiutarvi a capire meglio il concetto:

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http://images.nonsologaming.com/diodo_anim.gif[/imgx]

Nota: nell'immagine non è scritto, ma la lampadina è da 3V... chiaramente con una tensione di 3V (due batterie da 1.5V in serie) non è possibile illuminare una classica lampadina da 220V.

 

In questo frame è possibile notare le denominazioni dei due poli di un diodo:

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http://images.nonsologaming.com/diodi_ak.png[/imgx]

Nell'animazione potete notare che se l'anodo viene rivolto verso un punto a potenziale maggiore (i 3V) ed il catodo ad un punto a potenziale minore rispetto a quello dell'anodo (il polo negativo della batteria) il flusso di corrente elettrica attraversa la lampadina illuminandola, ma questo succede perchè il diodo viene polarizzato direttamente, permettendo al flusso di corrente di attraversarlo.

 

C'è una caratteristica del diodo da non sottovalutare, ovvero il fatto che necessiti per funzionare di una seppur bassa tensione di attivazione (tecnicamente "tensione di soglia").

In un diodo ideale la tensione di soglia è 0, ma in un diodo reale questa arriva fino a 0.7V, sotto della quale il diodo si comporta come se fosse un interruttore aperto (non conduce).

Quando il diodo ha superato la tensione di soglia, questa sua caratteristica genera inevitabilmente una caduta di potenziale ai suoi capi, caduta teoricamente fissa a 0.7V.

Questo significa che in realtà alla lampadina arriveranno 3-0.7=2.3V.

La caduta di potenziale si somma se mettiamo diversi diodi in serie. Infatti ipotizzando di metterne due in serie nel circuito anzichè uno noteremo che la lampadina avrà una luminosità minore rispetto a quando avevamo solo un diodo nel circuito... questo perchè 3-0.7-0.7=1.6V

 

Sempre nell'animazione viene mostrato come collegando il diodo al contrario il risultato sia completamente differente: il flusso della corrente è bloccato dal diodo, e la lampadina di conseguenza rimane spenta.

Il circuito di fatto si comporta come se fosse aperto.

 

Questa caratteristica del diodo lo rende adatto a diversi impieghi, tra i quali ricordiamo l'utilizzo nel ponte di Graetz, chiamato più semplicemente ponte raddrizzatore.

Fin'ora abbiamo osservato il comportamento di un diodo in corrente continua, ma nominando il ponte raddrizzatore è d'obbligo spiegarne brevemente il funzionamento.

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I diodi usati come ponte raddrizzatore

Il ponte raddrizzatore ha lo scopo di trasformare la corrente alternata in un onda limitata ad una sola direzione.

Alcuni vi diranno che il ponte raddrizzatore permette di trasformare la corrente alternata in corrente continua, ma non è propriamente esatto.

Immagino saprete che la corrente alternata è rappresentata graficamente da un onda sinusoidale che continua a passare da una parte all'altra dell'asse X (che rappresenta il tempo che passa), mentre l'asse Y rappresenta la tensione, positiva se l'onda si trova al di sopra dell'asse X mentre negativa se si trova al di sotto dell'asse X.

Se non vi è chiaro questo passaggio non preoccupatevi e date un occhiata al grafico che vedete qui sotto:

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http://images.nonsologaming.com/onda_sinusoidale.png[/imgx]

Come ho appena detto, X rappresenta il tempo mentre Y la tensione (che può essere positiva o negativa a seconda della posizione dell'onda).

 

Come si comporta il diodo sostituendo le batterie dell'animazione con questo segnale?

La corrente passerà nel circuito prima in un senso e poi nel senso contrario.

La lampadina non avrà problemi a gestire una corrente alternata, perchè la lampadina non è composta da altro che un filamento che diventa incandescente... la corrente può passargli attraverso sia in un senso che nell'altro senza problemi.

 

Il diodo filtrerà la corrente "negativa" (la parte dell'onda sotto l'asse X) bloccandone il passaggio e comportandosi come un circuito aperto, mentre lascerà passare la corrente positiva (la parte dell'onda sopra l'asse X) facendo "lampeggiare" la lampadina.

E questo sempre per la caratteristica del diodo che lascia passare la corrente solo in una direzione.

L'onda filtrata dal diodo sarà quindi così:

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http://images.nonsologaming.com/onda_sinusoidale1.png[/imgx]

A rigor di logica, quindi, girando il diodo otterremo questo risultato...

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http://images.nonsologaming.com/onda_sinusoidale2.png[/imgx]

...in quanto il diodo lascerà passare il flusso di corrente contrario a quello di prima.

Il risultato sulla lampadina è che noi la vedremo comunque accendersi quando l'onda si allontana dall'asse X, mentre la sua luce si affievolirà fino a spegnersi man mano che l'onda si avvicina all'asse X.

TIP: Detto questo qualcuno potrebbe obiettare che la lampadina ad incandescenza che ha in casa non lampeggia, nonostante sia collegata direttamente ad una sorgente in alternata. Ed in effetti è così. La corrente di casa è un segnale in corrente alternata (AC) di frequenza 50-60Hz e tensione 220V. Questo significa che la lampadina si dovrebbe accendere e spegnere 100-120 volte al secondo (1Hz è un ciclo al secondo, e un ciclo è composto da un picco positivo ed un picco negativo, che illuminano la lampadina 2 volte) ma così non avviene per il semplice motivo che il filamento non fa a tempo a raffreddarsi prima di ricevere un'altro picco. L'effetto prodotto altro non è che una luce stabile nonostante tutto.

 

Tutto questo per spiegare il funzionamento del ponte raddrizzatore: una volta capito che usando i diodi è possibile dividere la componente positiva da quella negativa di un segnale alternato diventa chiaro come sia possibile, usando quattro diodi, indirizzare tutte le componenti positive di un onda ottenendo un segnale esclusivamente positivo o esclusivamente negativo... ottenendo da un segnale alternato una polarità positiva ed una negativa.

Questo è lo schema interno di un ponte raddrizzatore, nonchè il dispositivo vero e proprio in alcune delle sue forme, che cambiano a seconda delle correnti in gioco:

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http://images.nonsologaming.com/ponte_diodi1.png[/imgx]

 

La corrente alternata di casa viene filtrata in questo modo dai diodi all'interno della maggior parte degli alimentatori e dei caricabatteria da parete, dove viene ulteriormente filtrata per renderla ancora più stabile.

Facendo qualche ricerca su google ho trovato questa bella immagine che rende molto bene l'effetto del ponte raddrizzatore su un onda alternata:

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http://images.nonsologaming.com/ponte_diodi2.png[/imgx]

Lasciando perdere il carico e la sorgente d'onda sinusoidale (quest'ultima può benissimo essere la presa di corrente casalinga) vedete come il ponte raddrizzatore ha spostato la componente negativa dell'onda portandola nello stesso polo in cui viene filtrata la componente positiva... entrambi diventano positive, dato che il flusso di corrente ora avviene in una sola direzione.

 

I diodi usati come protezione contro l'inversione di polarità

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http://images.nonsologaming.com/70300big.jpg[/imgx]

Per esperienza, capita molte volte che la gente confonda soprattutto sugli alimentatori universali (quelli con lo spinotto intercambiabile, vedi foto) il polo positivo con il polo negativo, combinando disastri indicibili sul povero apparecchio nel quale lo spinotto verrà inserito.

Per evitare che questo succeda, è sempre bene controllare la polarità del connettore con un tester, ormai se ne trovano in ogni negozio di fai-da-te per pochi euro, che siano realmente buoni poi è un discorso a parte... ma almeno dovrebbero dirvi la polarità del vostro spinotto.

Nel caso ci sia un'altissima probabilità che lo spinotto prima o poi usandolo si stacchi, e per evitare che in tale situazione qualcuno che non siate voi inserisca lo spinotto al contrario, incurante del danno che questo potrebbe causare... potete sempre inserire un diodo all'interno dell'apparecchio da alimentare (a patto che ci sia spazio all'interno) costringendo la corrente a passarci attraverso... e solo nel giusto senso! Questo a protezione di un inversione accidentale della polarità dello spinotto.

E se l'apparecchio che fa uso dell'alimentatore universale è un PC portatile... beh, inserire il diodo potrebbe significare non dover tirare fuori i soldi per una nuova scheda madre

 

I LED fanno parte della famiglia dei diodi, ma ne parlerò nel prossimo articolo.

Leggi i capitoli precedenti:

• 0 - Fondamenti di elettronica
  
• 1 - Tensione e corrente
  
• 2 - Resistori
  
• 3 - Condensatori

[-CrAsH-]

Io impazzisco per questi articoli!!!

 

Grazie Bus!

[Savio1]

Fantastico!!

Graziee!!

[StandardBus]

Come sempre, si accettano suggerimenti

Ho un po' divagato parlando della corrente alternata (che non era stata introdotta a dovere) e per questo mi scuso, ma penso che il ponte di graetz fosse un'applicazione dei diodi che non poteva essere tralasciata.

 

L'articolo non è complicato, lo possono leggere tutti, del resto è tutta questione di logica... ovviamente la comprensione (della parte riguardante il ponte diodi) è meno immediata rispetto agli articoli precedenti, ma basta leggerlo piano, immaginarsi il circuito come un flusso di acqua che fluisce prima in senso orario e poi in senso antiorario... il diodo blocca il flusso dell' "acqua" in una direzione, quindi se la corrente continua a cambiare direzione... il diodo lascerà passare l'acqua solo quelle volte che attraversa il diodo nel senso giusto

 

Mi raccomando, se non lo capite la prima volta, rileggetelo con calma, magari facendovi dei disegni mano a mano... non scoraggiatevi!!

[Savio1]

Ho un po' divagato parlando della corrente alternata (che non era stata introdotta a dovere) e per questo mi scuso, ma penso che il ponte di graetz fosse un'applicazione dei diodi che non poteva essere tralasciata.

 

Non preoccuparti, a mio parere l'articolo è perfetto, le spiegazioni sulla corrente alternata non sono superflue, anzi credo che siano importanti per chi non è molto esperto e vuol capire meglio...

In ogni caso, anche comprendere l'articolo non è poi così complicato, penso che sia comprensibile anche dai meno esperti (che non è che io sia poi così esperto)

Comunque amo queste "puntate" ^^ continuate a pubblicarne!!

[jtagger]

Complimenti, molto chiaro e sintetico.

Grazie per il lavoro svolto.

[ManuelX]

Mega Bus! Anzi Tera Bus

Complimenti >!

[Skyl1ne]

Grazie Bus.C'ho capito di più in questa tua spiegazione che in quella del professore...

[archimede71]

Bravo Bus ! Complimenti .

[Frank2010]

Ottimo articolo per principianti, comunque, se la mia memoria non mi inganna, i 0.7 volts non sono dovuti a resistenza interna ma si tratta della tensione di polarizzazione diretta di un diodo al silicio: praticamente, senza parlare di funzioni di trasferimento, un diodo ha bisogno comunque di almeno 0.7 V per cominciare a condurre (meno se al germanio o arseniuro di gallio), al di sotto di tale valore il diodo resta interdetto anche in polarizzazione diretta. Questa caratteristica è molto importante nei circuiti integrati perchè permette di avere cadute di potenziale senza usare resistenze che si sa scaldano e consumano inutilmente.

[StandardBus]

@Frank2010: hai pienamente ragione. Correggo subito.

[davide360]

Mio fratello, dice che sai spiegare meglio tu di un professore all' ITIS.(lui ci và e studia elettronica)

[crismesy]

scusate ma il ponte raddrozzatore non dovrebbe trasformare i picchi negativi in positivi così da avere tutte semionde positive? Dove c'è il grafico con il picco e una linea a zero volt questo dovrebbe accadere con un solo diodo ma non con 4. Correggetemi se sto sbagliando.

[RyujiAndy]

Mi sa che hai visto male infatti la figura riguardante il ponte raddrizzatore fa vedere due oscilloscopi, uno in ingresso ed uno all'uscita e si vede benissimo come la semionda negativa viene ribaltata.

 

http://images.nonsologaming.com/ponte_diodi2.png

Modificato 26 Gennaio 2013 da RyujiAndy