Diodi

Il diodo è un componente elettronico passivo, non lineare a due terminali (bipolo) la cui funzione è quella di essere attraversata dalla corrente solo in un verso, cioè in polarizzazione diretta ( caso ON ), e di non farsi attraversare dalla corrente, in polarizzazione inversa ( caso OFF ).

Di diodi ce ne sono di vari tipi a secondo della loro composizione interna:

-diodo al germanio

-diodo al silicio

-diodo Zener

-diodo led (giallo, rosso, verde, blu, bianco)

-diodo schottky

-diodo varicap o varactor

Nel caso di un diodo reale la tensione di soglia varia a secondo del materiale di cui è composto.

- Il diodo al germanio ha una tensione Vs=0,2 V

- Il diodo al silicio ha una tensione Vs= 0,67 V.

Per misurare la tensione di soglia di un diodo al silicio basta realizzare un circuito che ha una almentazione, una resistenza di limitazione R e un diodo ,messi tutti inserie.

Se il circuito ad esempio lo alimentiamo con una tensione di alimentazione VAL=3 V e colleghiamo in serie una resistenza R=150 Ohm e chiudiamo il circuito con un diodo al silicio con il catodo (dove c'è la tacchetta) rivolta verso massa, dalla teoria sappiamo che il diodo conduce in quanto è in polarizzazione diretta, e in esso ci sarà una corrente

I=(VAL-Vs)/R

dove Vs è la tensione di soglia che è circa uguale a 0,67 V in quanto ce lo dice il costruttore,

Se adesso misuriamo la tensione Vs o meglio la Vd, cioè la tensione ai capi del diodo essa sarà

Vd  >= Vs

Il maggiore o uguale dipende dal diodo reale che stiamo utilizzando.

Dalla nostra foto si vede che Vd è proprio  Vd=0,66V

Per fare accendere un diodo LED è necessario polarizzarlo direttamente. Da questo punto di vista l'unica differenza sostanziale rispetto ai diodi "normali" sta nel valore della tensione di soglia.

Infatti i LED sono realizzati con semiconduttori di tipo diverso (cioè con elementi droganti diversi) rispetto al silicio usato normalmente. Il valore della tensione di soglia dipende dal colore della luce emessa dal LED. Ad esempio i diodi :

LED all'infrarosso hanno tensione di soglia Vs<1,9 V e sono formati con materiale semiconduttore Arseniuro di gallio (GaAs) o Arseniuro di gallio e alluminio (AlGaAs).

LED rosso hanno una tensione di soglia compresa tra 1,63V< Vs< 2,03V   e sono formati con i seguenti semiconduttori: Arseniuro di gallio e alluminio (AlGaAs) o al Fosfuro arseniuro di gallio (GaAsP) o Fosfuro di gallio (GaP).

Led Arancione hanno una tensione di soglia compresa tra1,9Val Fosfuro arseniuro di gallio (GaAsP) o Fosfuro di gallio (GaP).

Led Giallo hanno una tensione di soglia compreso tra1.9Val Fosfuro arseniuro di gallio (GaAsP) o Fosfuro di gallio (GaP).

Led Verde tensione di soglia 1,9 V  al Nitruro di gallio e indio (InGaN) e fosfuro di Gallio (GaP)

Led blu tensione di soglia 2,48V(Seleniuro di Zinco ZnSE)

Led viola tensione di soglia 2,76V

Ultravioletto tensione di soglia 3,1V

Led bianco tensione di soglia 3,5V costruito con led blu con fosfori gialli.

ESERCIZIO:

Colleghiamo adesso il seguente circuito con una resistenza R1=150 OHM e un diodo led rosso con Vs=1,8V ed una batteria da 5V a cui abbiamo anche collegato un interruttore. Quando chiudiamo l'interruttore il diodo led si accende.

Per calcolare la corrente I sul diodo utilizziamo la seguente formula

I=(V-Vs)/R1=(5-1.8)/150=21,3mA

Con questa corrente si ha una buona illuminazione del diodo LED rosso.

Esercizio:

Colleghiamo adesso un circuito con tre diodi led in serie di colore rosso, giallo e verde.

Per dimensionare la resistenza R utilizziamo la seguente formula

Vcc=R*I - 3*Vs

dove Vs è la tensione di soglia del diodo led;

ESERCIZIO:

 Ipotizziamo che i tre diodi led abbiano tutti la stessa tensione di soglia uguale a 1,5 Volt che in essi circoli una corrente I=10mA; avremo:

R=(Vcc-3*Vs)/I= (5-3*1,5) V/10mA=0,5V/10mA=50 Ohm

Il pulsante una volta che è premuto accende i tre diodi led.

Se invece alimentiamo il circuito con 9Volt come nella figura, dovremo dimensionare di  nuovo il valore della resistenza. Nel caso in cui mettiamo una R=150 Ohm avremo una corrente

I=(VAL-VD)/R= (9-1,5*3)/150=0,03A=30mA

ESERCIZIO

Qualcuno potrebbe chiedersi: "Ma è veramente necessaria la resistenza R?" La risposta è affermativa, in quando senza resistenza i diodi led si potrebbero distruggere. La resistenza infatti viene anche chiamata resistenza di limtazione della corrente. Io ho provato ad accendere i tre diodi led con due batterie da 1,5 Volt ma vi consiglio di non farlo se non volete bruciare i led.

Il circuito può essere realizzato con una alimentazione di 3 Volt , ad esempio con due batterie da 1,5 Volt in serie e senza resistenza (NOTA: senza rsistenza però rischiamo di bruciare i diodi led!!)

Realizzaiamo adesso una rete elettrica con 4 diodi al silicio della serie 1N4004.

Ne colleghiamo due in serie con una resistenza R1=820 Ohm e due in antiserie (cioè uno in polarizzazione diretta e l'altro in polarizzazione inversa) a cui colleghiamo un'atra resistenza R2=820 Ohm.

Colleghiamo a questi due rami una limentazione VAL=10Volt e misuriamo le tensioni sui 4 diodi e le tensioni sulle due resistenze.

Il circuito finale è il seguente.

Spiegazione del circuito e dei dati sperimentali.

RAMO 1:

Nel ramo con i due diodi in serie con la resistenza R1, i dati sperimentali confermano che essi sono entrambi in conduzione, e la loro tensione VD1=VD2 è circa 0,7 Volt, mentre sulla resistenza R2 per Kirchhoff vi sarà una tensione

VR1=VAL-VD1-VD2= 10-0,7-0,7=8,6 Volt

questo risultato teorico è stato pienamente verificato.

La simulazione con multisim conferma pienamente i dati sperimentali , anche nel ramo in cui ci sono i due diodi in antiserie (cioè nel ramo con i due diodi ,uno  in polarizzazione diretta e l'altro in polarizzazione inversa) .

RAMO 2:

Si può dire che in questo ramo la tensione di alimentazione si ripartisce solo sul diodo D3 in quanto il diodo D4 si comporta da circuito aperto e quindi su di esso non circola corrente. Anche sulla resistenza R4, non cè corrente e la tensione ai suoi capi è VR4=0Volt.

Teoricamente si ha per il teorema di Kirchhoff

VAL=VD3+VD4+VR2

se VR2=0V  e VD4=0V -->  VD3=VAL-VD4=10-0=10 Volt

Nella pratica però su VD4 c'era una tensione di circa 0,04V, in quanto in polarizzazione inversa il diodo teoricamente non conduce, ma nella realtà è attraversata da una piccolissima corrente che crea una piccolissima tensione di 0,04 V

quindi

VD3=VAL-VD4=10-0,04=9,96 V

come confermato dai dati sperimentali.

Il diodo led RGB è un diodo che ha 4 terminali. La sigla significa R=red, G=Green, B=blue.

Vi sono diodi led RGB a catodo comune: questi diodi led hanno un terminale che è il catodo comune, gli altri tre terminali son anodi rispettivamente per il rosso, verde, blu.

Invece i diodi led RGB ad anodo comune hanno un terminale che è l'anodo comune e tre terminali che sono rispettivamente il catodo del diodo rosso, catodo del diodo verde e il catodo del diodo blu.

Io ho realizzato un circuito con un diodo led RGB a catodo comune, ed ho collegato il catodo a massa, mentre gli altri terminali li ho collegato con una resistenza di limitazione di 220 Ohm. Ogni volta che davo tensione positiva ad un capo della resistenza collegata all'anodo rosso, oppure verde, oppure blu, si accendeva il corrisponedente colore. Come si può vedere dalle foto seguenti ho anche misurato le rispettive tensioni di soglia. I valori ottenuti sono:

Vrosso=1,86 V

Vverde= 2,35 V

Vblu= 2,47V

Ho utilizzato una tensione di alimentazione data da due pile da 1,5 Volt.