Diodi speciali

Diodi Zener

I diodi Zener sono un particolare tipo di semiconduttori che, sfruttando la conduzione inversa della giunzione, consentono di ottenere valori di tensione $V z$ costanti una volta raggiunta la corrente $I z$ di funzionamento.

Questa caratteristica è utilizzata per la stabilizzazione delle tensioni continue così come mostrato in figura 1 ; in essa si nota come per il diodo $Z$ venga adottato un simbolo diverso da quello impiegato per i diodi rettificatori.

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Il circuito consente di ricavare una tensione costante $V z$ partendo da una tensione $V g$ non stabilizzata purché sia sempre verificata la condizione:

$V g > V z$

Il funzionamento del circuito di stabilizzazione è semplice:

La tensione continua $V g$ del generatore, tramite la resistenza $R$ , fa scorrere nel diodo una corrente che, se raggiunto il valore $I z$ , porta ai capi di $Z$ una tensione costante $V z$ detta “tensione di Zener”; una volta raggiunto il valore di corrente $I z$ , ulteriori aumenti della tensione di $V g$ portano ad incrementi della corrente nel diodo, ma la tensione $V z$ resta ad ampiezza costante ^[1].

L’incremento della corrente $I z$ , a seguito della variabilità di $V g$ , è tollerabile fino a quando è valida la relazione:

$(I z + i n c r e m e n t o) \cdot V z < P d$

dove $P d$ è la potenza massima dissipabile dal diodo Zener .

I diodi Zener disponibili sul mercato offrono le seguenti caratteristiche:

La $V z$ è selezionabile in un ventaglio di valori compreso tra $V z = 2 V e V z = 75 V .$

La $I z$ è selezionabile tra valori compresi tra $1 m A e 100 m A .$

La $P d$ è selezionabile da frazioni a decine di Watt.

Esempio di calcolo

Un esempio d’applicazione di un diodo Zener è utile per prendere confidenza con il metodo di calcolo del circuito:

Supponiamo di voler realizzare un circuito di stabilizzazione per ottenere, su di un carico $R c = 15000 Ω$ , una tensione costante $V u = + 15 V$ disponendo di:

generatore di corrente continua non stabilizzata che fornisce una tensione $V g = + 30 V + / - 20 %$

diodo Zener tipo BZV55C15

collegati così come è mostrato in figura 2

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Da un esame dei dati iniziali risulta:

La tensione $V g$ è variabile tra $V g m i n = + 24 V a V g m a x = + 36 V$

Il carico $R c$ richiede una tensione $V u = + 15 V$

Dallo stabilizzatore è richiesta una corrente $I c = V u / R c = 15 V / 15000 Ω = 1 m A$

Le caratteristiche del diodo BZV55C15 sono:

$V z = 15 V$

$I z = 5 m A$

$P d = 0.5 W$

Sulla base dello schema elettrico di figura 2 e dei dati sopra riportati procediamo al dimensionamento del circuito:

Calcolo della resistenza di limitazione di corrente $R :$

La tensione non stabilizzata $V g = + 30 V + / - 20 %$ è applicata a monte del circuito e tende a far scorrere nel diodo $Z$ una corrente $I z$ e nel carico una corrente $I c$ pari a:

$I z + I c = (V g - V z) / R$

Il valore di $I z = 5 m A$ deve essere raggiunto per la tensione minima di $V g$ :

$V g m i n = + 30 V - 20 % (+ 30 V) = + 24 V$ scriveremo pertanto

$5 m A + 1 m A = (+ 24 V - 15 V) / R$

da cui $R = 1500 Ω$

La resistenza dovrà dissipare la potenza: $P r = [V g + 20 % (V g) - V z]^{2} / R = (36 - 15)^{2} / 1500 Ω = 0.29 W$

Verifica della dissipazione nel diodo Zener

Le condizioni di massima dissipazione nel diodo Zener si avranno per il valore massimo di $V g$ ed in assenza del carico $R c,$ queste si calcolano come segue:

Essendo $V g m a x = + 30 V + 20 % (+ 30 V) = + 36 V$

la corrente $I z$ salirà da $5 m A$ , per $V g m i n = + 24 V$ ed in assenza di carico, a

$I z + i n c r e m e n t o = (+ 36 V - 15 V) / 1500 Ω = 14 m A$

e di conseguenza la potenza massima da dissipare diventerà:

$P m a x = (I z + i n c r e m e n t o) \cdot V z = 14 m A \cdot 15 V = 0.21 W$

Compatibile con i dati costruttivi dello Zener che indicano una $P d = 0.5 W .$

Data la caratteristica del diodo Zener la tensione ai suoi capi si manterrà “costante” a $+ 15 V$ sia quando la tensione di $V g$ sarà di $+ 24 V$ sia quando detta tensione sarà di $+ 36 V .$

Diodi emettitori di luce (LED)

Particolari tipi di diodi hanno la proprietà di emettere luce quando attraversati da corrente elettrica, questi componenti sono detti LED ( Light Emitter Diode); questi semiconduttori hanno una bassa inerzia nelle fasi d’accensione e spegnimento che ne differenzia il comportamento rispetto alle lampade ad incandescenza.

I LED sono impiegati come indicatori luminosi in molteplici circuiti elettronici come avvisatori di cambiamento di stato; sono prodotti in un’ampia gamma di caratteristiche quali:

Colorazioni:

(singole) -rosso –giallo –verde –blu (combinate) -verde/rosso – ambra – tricolore.

Dimensioni:

(tipi a sezione circolare) da $1.8 m m a 7.5 m m$ (tipi a sezione rettangolare ) da $5 \times 5 a 7 \times 2.5 m m$ e più (tipi multipli) da $8 a 20 m m$

Montaggio:

da pannello- a saldare in verticale- da saldare superficiale

Caratteristiche ottiche: luminosità normale - superluminosità (fascio d’emissione della luce) direttivo- ad angolo ampio- luce diffusa (angoli d’emissione della luce) da $3 5^{\circ} a 6 0^{\circ}$ ed oltre

Nell’impiego dei LED si devono considerare le loro caratteristiche elettriche che, come i diodi di rettificazione, sono definite principalmente dalla corrente e dalla tensione di lavoro, rispettivamente $I f e V f$ ; la produzione offre una ampia gamma di valori di $I f$ , da $2 a 40 m A$ , in base alla intensità della luce generata ( generalmente si và da $5 a 25 m A$ per il colore rosso, da $10 a 40 m A$ per i colori verde e giallo). I valori di $V f$ variano, secondo i tipi, da $1.8 v o l t a 6 v o l t$ .

I LED, di solito sono costruiti per il funzionamento in corrente continua, soltanto alcuni tipi, con doppia giunzione, sono costruiti per correnti alternate; in entrambi i casi il loro impiego deve prevedere un controllo della corrente If per non distruggere il diodo. Il dimensionamento di un circuito con LED è cosa estremamente semplice; vediamone un esempio:

Esempio

Si debba utilizzare un LED per una segnalazione di colore blu con un angolo d’emissione luminosa non superiore a $20$ °, sia disponibile una tensione continua d’alimentazione $V a l = + 15 V .$

Scelta del componente e dimensionamento del circuito:

Un LED con le caratteristiche richieste è, tra gli innumerevoli disponibili, il tipo HP-blu- $15$ ° che ha il colore voluto e l’angolo d’emissione inferiore ai $20$ ° richiesti; altri dati forniti per il dimensionamento del circuito sono: $I f = 20 m A; V f = 3.6 V .$

Per il montaggio del diodo è sufficiente un solo resistore per la limitazione della corrente $I f$ secondo il circuito di figura 3 nel quale il diodo LED è tracciato con il caratteristico simbolo \\:

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Il valore di $R$ si calcola con l’espressione

$R = (V a l - V f) / I f$

avremo quindi:

$R = (15 V - 3.6 V) / 20 m A = 570 Ω$ arrotondabile a $680 Ω$

La resistenza dovrà dissipare una potenza di $(15 V - 3.6 V)^{2} / 680 Ω = 0.19 W$

Note

↑ salvo piccolissimi incrementi

[1] salvo piccolissimi incrementi

[1]

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Indice

Diodi Zener

Esempio di calcolo

Verifica della dissipazione nel diodo Zener

Diodi emettitori di luce (LED)

Esempio

Note

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