ELEMANIA
Diodo - Diodo come generatore
Tensione di soglia

Il modello del diodo ideale funzionante come interruttore prevede che il diodo inizi a condurre non appena la tensione applicata fra anodo e catodo diventa positiva. Tuttavia nei diodi reali si osserva un diverso comportamento: affinchè il diodo conduca (entri cioè in zona di polarizzazione diretta) occorre che la tensione applicata superi un valore non nullo, detto tensione di soglia.

Il valore della tensione di soglia è diverso a seconda del materiale a semiconduttore con cui è stato realizzato il diodo. Per i diodi al silicio il valore è tipicamente compreso fra 0,6 e 0,8 V. I diodi al germanio hanno invece una tensione di soglia più bassa, intorno agli 0,2-0,4 V.

 

Comportamento del diodo come generatore di tensione sopra la soglia

Per studiare il comportamento del diodo analizziamo il circuito seguente, dove E è un generatore di tensione continua ma regolabile. Supponiamo di aumentare gradatamente la tensione prodotta dal generatore E.

Rispetto al semplice modello del diodo come interruttore, in questo caso osserviamo le seguenti differenze:

Pertanto i circuiti equivalenti per il diodo (adottando questo nuovo modello) sono:

 

Esempio: studio di un circuito con diodo polarizzato direttamente

Consideriamo di nuovo come esempio il circuito in figura:

con E = 9 V, R1 = 300 Ω, R2 = 600 Ω.

Dall'analisi delle correnti risulta che il diodo dovrebbe essere in polarizzazione diretta. Usiamo qui il condizionale, poiché per essere certi che il diodo si trovi in polarizzazione diretta non è in questo caso sufficiente verificare che il verso della corrente sia quello "corretto" (da anodo a catodo), ma occorre anche controllare che la tensione sul diodo superi la tensione di soglia Vs.

Come si procede dunque? Il metodo è il seguente:

Vediamo tutto questo in pratica sul nostro circuito. Dopo aver verificato che il diodo è collegato in modo tale che la corrente possa scorrere effettivamente da anodo a catodo, proviamo ad eliminare il diodo dal circuito e otteniamo lo schema seguente:

In pratica si tratta dello stesso schema usato per studiare il diodo in polarizzazione inversa. Adesso dobbiamo calcolare la tensione ai capi del diodo Vd, cioè (visto il collegamento in parallelo) la tensione sulla resistenza R2, V2. Con i valori forniti per il circuito, i calcoli sono gli stessi svolti nel capitolo precedente e V2 = 6 V. Tale valore supera la tensione di soglia del diodo (che comunque non va mai oltre gli 0,8 V circa) e dunque il diodo è polarizzato direttamente.

Dunque possiamo sostituire il diodo con un generatore di tensione equivalente di valore pari alla tensione di soglia sul diodo. Supponendo Vs = 0,7 V per il nostro diodo, abbiamo:

Si presti attenzione al verso del generatore equivalente Vs: si osservi in particolare che il + del generatore è orientato verso dove si trovava l'anodo del diodo. La tensione di soglia del diodo infatti agisce nel circuito come una tensione contraria a quella del generatore E e perciò il generatore Vs deve opporsi a E nello schema circuitale.

A questo punto il circuito può essere facilmente studiato con le leggi dell'elettrotecnica. Abbiamo dunque:

V2 = Vs = 0,7 V
i2 = V2/R2 = 0,7 V/ 600 Ω = 1,16 mA
v1 = E - V2 = 9 - 0,7 = 8,3 V
i1 = v1/R1 = 8,3/300 = 27,6 mA

 

Confronto fra i risultati ottenuti con i due modelli

A conclusione della nostra analisi è interessante confrontare fra loro i risultati ottenuti dallo studio dello stesso circuito nelle due ipotesi: 1) diodo come interruttore, 2) diodo come generatore di tensione.

La tabella seguente fornisce un veloce riassunto:

  diodo come interruttore diodo come generatore
i1
30 mA
27,6 mA
i2
0 A
1,16 mA
v1
9 V
8,3 V
v2
0 V
0,7 V

Osserviamo che i risultati ottenuti con i due modelli sono abbastanza simili. Ovviamente quelli ricavati nell'ipotesi che il diodo si comporti come un generatore sono più precisi, cioè più vicini al comportamento reale del diodo. Tuttavia, essendo lo scarto abbastanza piccolo, anche i risultati ottenuti considerando il diodo come un semplice cortocircuito sono validi e hanno il vantaggio di poter essere ricavati più rapidamente, con calcoli più semplici.

Notiamo qui un caso particolare di una regola più generale: rendendo più complesso il modello matematico che descrive la realtà, ci si avvicina ai risultati reali, ma i calcoli risultano più complicati. Si dovrà pertanto scegliere in generale una soluzione di compromesso fra precisione e semplicità e tale scelta dovrà essere fatta a seconda dei casi.

 

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