Dimensionamento e scelta di un diodo

I diodi a giunzione PN al silicio sono dispositivi fondamentali nell’ambito dell’elettronica e dell’ingegneria delle comunicazioni. La loro funzione di permettere il flusso unidirezionale di corrente li rende cruciali per una vasta gamma di applicazioni, dal raddrizzamento di corrente alternata alla generazione di luce coerente nei laser. In questo articolo, esploreremo approfonditamente i processi di scelta, selezione e dimensionamento dei diodi a giunzione PN al silicio, affrontando aspetti tecnici rilevanti e fornendo esempi pratici di applicazioni in diversi contesti. Di seguito verrà proposta una guida pratica al dimensionamento dei diodi PN: parametri, calcoli e applicazioni

Prima di proseguire suggeriamo la lettura dei seguenti due articoli:

Scelta e Selezione dei Diodi a Giunzione PN

La selezione accurata dei diodi a giunzione PN richiede una comprensione approfondita delle specifiche dell’applicazione e delle caratteristiche dei diodi stessi. Ecco alcuni fattori chiave da considerare:

⇒ Corrente e Tensione Nominale

La corrente nominale (I_o) di un diodo rappresenta la corrente che scorre attraverso il diodo quando è polarizzato in avanti con una tensione diretta (V_f) tipica. È essenziale selezionare un diodo con una corrente nominale adeguata rispetto alla corrente massima prevista (I_max) nell’applicazione. Inoltre, la tensione inversa massima (V_R) del diodo deve essere superiore alla massima tensione applicata.

⇒ Caduta di Tensione Diretta

La caduta di tensione diretta (V_f) è la tensione che si verifica ai terminali del diodo quando è in conduzione. Per i diodi al silicio, il valore tipico di V_f è nell’intervallo 0.6V – 0.7V. Questo parametro influisce sulle perdite di potenza durante il funzionamento e deve essere tenuto in considerazione nelle applicazioni ad alta efficienza energetica.

⇒ Tempi di Recupero Inverso

Se l’applicazione richiede una rapida commutazione, come nei circuiti ad alta frequenza, è importante considerare i tempi di recupero inverso (t_rr) del diodo. Questi tempi indicano quanto velocemente il diodo può passare da uno stato di conduzione a uno stato di blocco e viceversa. I diodi Schottky, noti per i tempi di recupero molto brevi, sono spesso utilizzati in queste applicazioni.

⇒ Temperatura di Funzionamento

La temperatura di funzionamento influisce sulle caratteristiche del diodo, tra cui la caduta di tensione diretta e la corrente inversa di saturazione (I_r). È cruciale comprendere come le caratteristiche del diodo variano con la temperatura e assicurarsi che la temperatura di giunzione (T_j) rimanga all’interno dei limiti specificati per garantire prestazioni stabili.

⇒ Effetto Avalanche (valanga)

In applicazioni ad alta tensione inversa, come nei circuiti di protezione da sovratensioni, è importante considerare l’effetto di rottura ad avalanche. Questo fenomeno può causare il danneggiamento del diodo. È necessario selezionare un diodo con una tensione inversa di rottura (V_BR) sufficientemente elevata per evitare l’effetto di avalanche.

Dimensionamento dei Diodi a Giunzione PN

Il dimensionamento accurato dei diodi è cruciale per garantire prestazioni affidabili e sicure dei circuiti. Ecco una guida dettagliata dei calcoli, delle valutazioni e delle scelte da operare:

⇒ Calcolo della Corrente e della Tensione

1. 1. Calcolare la corrente massima (I_max) che attraverserà il diodo in base alle specifiche dell’applicazione.
   2. Determinare la tensione massima (V_max) a cui il diodo sarà sottoposto.
   3. Calcolare la corrente nominale (I_o) come una percentuale della corrente massima prevista (tipicamente 80% della I_max).

⇒ Verifica della Potenza Dissipata

Calcolare la potenza dissipata (P_dissipata) dal diodo utilizzando la formula:

P_dissipata = V_f ⋅ I_f

Dove la tensione V_f  è riferita alla tensione ai capi del diodo, mentre I_f  rappresenta la corrente che lo attraversa. La potenza massima dissipabile è riportata nei datasheet.

ESEMPIO:

Se un diodo 1n4007 è attraversato da una corrente I_f di 720mA e la tensione V_f  ai suoi capi è di 1V allora la potenza dissipata risulterà:

P_dissipata = V_f ⋅ I_f = 1 ⋅ 0,7 = 0,7 W   < 3 W (potenza massima riportata su datasheet)

⇒ Selezione del Package

Scegliere un package adeguato per il diodo è importante per garantire una corretta dissipazione del calore. Package con una maggiore superficie di contatto offrono una migliore dissipazione termica. Inoltre, alcuni package sono progettati per resistere a condizioni ambientali avverse.

Applicazioni e Esempi Pratici

I diodi a giunzione PN al silicio sono impiegati in una vasta gamma di applicazioni tecnologiche. Di seguito, sono riportati ulteriori esempi di utilizzo:

Raddrizzatori a Ponte per Alimentazioni

I diodi a giunzione PN vengono ampiamente utilizzati nei raddrizzatori a ponte per convertire la corrente alternata (CA) in corrente continua (CC) nelle alimentazioni elettriche. Il raddrizzatore a ponte è una configurazione circuitale che impiega quattro diodi disposti a formare un ponte, consentendo la rettificazione a onda intera della corrente alternata. Quando la tensione CA viene applicata ai terminali del ponte raddrizzatore, due diodi conducono durante la semionda positiva, mentre gli altri due conducono durante la semionda negativa. In questo modo, la corrente risultante in uscita mantiene sempre la stessa polarità, ottenendo così una tensione continua pulsante. Per ottenere una tensione più stabile e ridurre il ripple, il raddrizzatore viene spesso abbinato a condensatori di filtro o circuiti di regolazione della tensione. Questi raddrizzatori trovano impiego in numerosi dispositivi elettronici e alimentatori, dai caricabatterie ai sistemi di alimentazione industriale, grazie alla loro efficienza e affidabilità nel convertire l’energia elettrica.

Diodi Laser per Comunicazioni Ottiche

I diodi laser, che sfruttano la ricombinazione dei portatori di carica per generare luce coerente, sono fondamentali nelle comunicazioni ottiche ad alta velocità e nelle reti di trasmissione dati. Questi dispositivi a semiconduttore operano basandosi sull’emissione stimolata, un fenomeno che consente di ottenere un fascio di luce monocromatico, altamente direzionale e coerente. Grazie alle loro caratteristiche, i diodi laser vengono impiegati in numerosi ambiti tecnologici, tra cui le fibre ottiche per la trasmissione dati, i sistemi di comunicazione ottica spaziale e le reti in fibra ottica a larga banda. La loro efficienza e la capacità di modulazione ad altissime frequenze li rendono ideali per applicazioni nelle telecomunicazioni moderne, nei data center e nei collegamenti ad alta velocità tra dispositivi elettronici.

Diodi Zener per Regolazione di Tensione

I diodi Zener sono componenti fondamentali nei circuiti elettronici per la stabilizzazione della tensione. Operano in polarizzazione inversa e, una volta raggiunta la tensione di breakdown (tensione Zener), permettono il passaggio di corrente mantenendo una tensione costante ai loro capi. Sono utilizzati in regolatori di tensione, circuiti di protezione e generatori di tensione di riferimento, assicurando un’alimentazione stabile per dispositivi sensibili.

Diodi Schottky per Applicazioni Ad Alta Frequenza

I diodi Schottky si distinguono per la loro giunzione metallo-semiconduttore, che riduce la barriera di potenziale e, di conseguenza, la caduta di tensione diretta, tipicamente compresa tra 0,15V e 0,45V. Questa caratteristica, unita a tempi di recupero estremamente rapidi, li rende ideali per applicazioni ad alta frequenza, come raddrizzatori in alimentatori switching, circuiti di clamping e circuiti a microonde. Grazie alla loro efficienza, vengono impiegati anche per ridurre le perdite di potenza nei sistemi elettronici.

Diodi TVS per Protezione da Sovratensioni

I diodi Transil (TVS – Transient Voltage Suppression) sono progettati per proteggere circuiti elettronici sensibili dalle sovratensioni temporanee, come scariche elettrostatiche (ESD), transitori di commutazione o fulminazioni indirette. Funzionano in modo simile ai diodi Zener, ma con una capacità di risposta estremamente rapida e una capacità di dissipazione di energia superiore. Sono ampiamente impiegati in dispositivi di comunicazione, interfacce USB, linee di alimentazione e applicazioni automotive, dove la protezione da picchi di tensione è essenziale per garantire l’affidabilità del sistema.