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04/09/2008 Prof. Leonardo Mascellino 1

COMPONENTIELETTRONICI

DIODISCRTRANSISTOR


SemiconduttoriI principali componenti elettronici si basano su semiconduttori (silicioo germani) che hanno subito il trattamento del drogaggio. In tal casosi parla di semiconduttori di tipo p , dove sono presenti inmaggioranza cariche positive, esattamente lacune. Si parla invecedi semiconduttori di tipo n , quando il drogaggio determina lacreazione di semiconduttori con maggioranza di cariche negative.

Dal numero di materiali semiconduttori usati si ottengono divers i tipidi componenti elettronici.

Diodo: costituito da due materiali semiconduttori, uno di tipo n e unodi tipo p.

Transistor: presenza di tre semiconduttori, disposti nel seguenteordine npn o pnp.

SCR: quattro semiconduttori presenti nel dispositivo.


DIODO (polarizzazione)Il diodo, il cui simbolo elettrico è rappresentato in basso, per la suacostituzione fisica, fornisce la possibilit à di lasciar passare la correnteelettrica solo in una direzione. Si consideri infatti il circuit o in figura, dovel’anodo del diodo è connesso al polo positivo dell ’alimentazione. Si parlain questo caso di polarizzazione diretta del diodo, in quanto il diodopermette la circolazione della corrente (valore dell ’ordine dei mA) nelverso indicato dal simbolo elettrico del diodo.La conduzione del diodo avviene perònormalmente dopo aver superato il valore ditensione detta di soglia Vs. Per valori ditensione applicata al diodo maggiore di Vs, ildiodo entra in conduzione e la corrente crescerapidamente (andamento esponenziale).La tensione Vs dipende essenzialmente daltipo di semiconduttore che costituisce il diodo.


DIODOSe nel circuito precedente siinverte la tensione di alimentazioneo il diodo, si ottiene il circuito dipolarizzazione inversa , conconseguente passaggio di unacorrente di valore molto piccola(nell’ordine dei A), detta correntedi saturazione inversa Io.

Nella polarizzazione inversa assume notevole importanza la Vbr (tensionedi breakdown), infatti per valori di tensione maggiori in valore assolutodella Vbr, il diodo si trova a lavorare con una tensione in grado di romp erei legami dei suoi atomi. In questa situazione si genera un numer o elevatodi elettroni (effetto a valanga) con generazione di un ’elevata corrente cheporta alla distruzione del diodo stesso. Il diodo in grado di va lore ditensioni pari alla Vbr è il diodo Zener, utilizzato come stabilizzatore ditensione.


DIODO (caratteristica reale)I parametri di un diodo variano asecondo il modello ed èdipendente dalle case costruttrici.I dati vengono raccolti in quelliche si definiscono data sheet(foglio di dati).

V(V)

I(mA)

VVbr Io

1 2 3 4(50V)

( A)


DIODO (caratteristica reale)Quelli che maggiormente ci interessano sono i seguenti:

- Vs tensione di soglia : valore di tensione diretta minimo per portare il diodoin conduzione;

- Vbr tensione di rottura o (breakdown): tensione per la quale si ha l ’effettodi moltiplicazione degli elettroni, con conseguente fusione del diodo stesso;

- Id corrente diretta: corrente che si stabilisce in polarizzazione diretta. Valorisull’ordine di mA.

- Io corrente di saturazione inversa : corrente di valore bassissimo (ordine diA) che si stabilisce in polarizzazione inversa

- Vmi tensione inversa massima : si stabilisce ai capi del diodo, quandoquest’ultimo si trova in stato di polarizzazione inversa

-Tj: temperatura della giunzione pn, che modifica la caratteristica reale deldiodo

- Pmax: potenza massima dissipabile da parte dl diodo.


DIODO (elemento circuitale)Per poter risolvere un circuito elettrico in cui è presente un diodo, bisognasostituire al diodo stesso dei componenti elettrici che simulino ilcomportamento. Solitamente sono tre le possibili configurazioni da potersostituire al diodo all ’interno di un circuito:-diodo ideale-diodo come batteria-diodo come serie di una batteria ed una resistenza

Nel primo caso (diodo ideale) il funzionamento deldiodo è simulato da un interruttore. Infatti si trovanello stato chiuso quando il diodo è polarizzatodirettamente. In tal caso la caduta di tensione suldiodo è praticamente nulla.

Al contrario quando il diodo è contropolarizzato siconsidera l’interruttore in stato aperto, conconseguente annullamento della correntecircolante nel circuito.

V

I

V

I


DIODO (elemento circuitale)Sostituendo al diodo in un circuito una batteria dif.e.m., la conduzione avviene solo quando latensione applicata ai capi del diodo supera latensione di soglia. In questo caso sul carico perònon si stabilirà tutta la tensione in ingresso alcircuito, ma un valore pi ù basso dato dalladifferenza tra Vi e la Vs. La caratteristica assumel’andamento di figura.

Nell’ultimo caso invece il diodo vienesostituito dalla serie di una batteria di f.e.m.ed una resistenza. La f.e.m. sar à di valoreuguale alla tensione di soglia, mentre laresistenza viene detta differenziale rdrappresenta, in modo lineare, l ’andamentodella caratteristica reale quando il diodo èpolarizzato direttamente.

V

I

Vs

V

I

Vs

rd


DIODOAnalizziamo ora lo stesso circuito elettrico (vedi figura) consi derando ildiodo con le tre sue possibili configurazioni, in modo da eviden ziare lesostanziali differenze.


DIODOAlla luce di quanto esposto inprecedenza si può definire un diodocome un elemento circuitalecomandato dalla tensione. Infattiquando la tensione applicata al diodosupera un determinato valore, variabilea secondo la caratteristica considerata,si permette la circolazione dellacorrente nel circuito e di conseguenzasi ottiene una d.d.p. ai capi del carico.Si ricorda che la conduzione avvienesempre quando la tensione ai capi deldiodo cambia polarità, quindi non sipuò controllare in nessun modo se nonagendo sul segnale in ingresso alcircuito.


SCRL‘SCR (Silicon Controller Rectifier) o tiristore, il cui simbolo grafico èrappresentato in figura, è un componente elettronico basato susemiconduttori che si comporta in maniera similare al diodo, ma conuna sostanziale differenza, la possibilit à di controllare, tramite corrente,il passaggio dallo stato di polarazzione inversa (interdizione) a quelladi polarizzazione diretta (conduzione).

Dalla simbolo si può notare la presenza di un altromorsetto, indicato con la g, detto di gate (porta). Èproprio tramite questa porta che avviene lapossibilità del passaggio dallo stato di OFF aquello di ON. Possiamo già dire quindi che l ’SCRsi può comportare anche esso come un interruttoreideale, come del resto il diodo, ma il controllo èdettato dalla corrente di gate IG.


SCR

- Ig=0, per innescare il tiristorebisogna superare una tensionequasi pari a quella di rottura inpolarizzazione inversa.

- IgMAX, il valore di tensione inquesto caso risulta pari a quelladi soglia di un diodo

Analizzando la caratteristica reale dell ’SCR si evidenzia la presenza dipiù curve nella zona di polarizzazione diretta. Ogni curva è simile allacaratteristica reale del diodo, ma con un valore diverso di tens ione disoglia, che per l ’SCR assume il nome di tensione d’innesco Vinn.

Più elevata risulta la corrente Ig minore è il valore della Vinn, quindiagendo sul circuito di gate, si può imporre un innesco a tension idifferenti. Gli estremi sono:


SCRL’innesco del tiristore avviene anche con impulsi di corrente , cioè concorrenti (valori compresi tra le decine e le centinaia di mA) ch e hannobrevissima durata (qualche microsecondo).

Precisiamo che una volta innescato l ’SCR si mantiene in conduzioneper un processo di moltiplicazione a valanga degli elettroni. Il bloccodel tiristore può avvenire in due modi:

1) Portare la corrente di tenuta It al di sotto di un determinato valore

2) Applicare al circuito di gate una tensione con polarit à invertita, ancheper qualche decimo di microsecondi.

Chiaramente il primo caso non può aversi in regime continuo, inf atti lacorrente determinata dalla tensione applicata al tiristore non p uòdiminuire, mentre in alternata, proprio per la forma del segnaleelettrico, il tiristore si spegne quando la tensione applicata s iapprossima allo zero. In continua quindi si ha bisogna anche di uncircuito di spegnimento dell ’SCR.


SCR (costituzione)Il funzionamento del SCR, che è stato analizzato in precedenza, trova lasua giustificazione nella costituzione stessa del tiristore. Inf atti all’internoil componente è formato da quattro strati di semiconduttore, come infigura. L’SCR potrebbe essere visto con tre diodi in serie, dovuti

alle tre giunzioni presenti nel componente.

Applicando infatti una tensione continua al tiristore, inmodo da polarizzarlo direttamente, cio è anodo del SCRcollegato al polo positivo della batteria, si notano che duedei tre diodi sono polarizzati direttamente, mentre il diodo(giunzione G2), è inversamente polarizzato e quindiimpedisce il passaggio della corrente, o meglio risulta divalore molto basso (corrente di saturazione inversa di undiodo).


SCR (costituzione)I diodi polarizzati direttamente avranno una caduta di tensione internamolto ridotta e quindi ai capi della giunzione inversamente pol arizzata sistabilisce praticamente la tensione fornita dal generatore di te nsionereale. Aumentando la tensione fornita dall ’esterno, la giunzione G 2 si portaa lavorare oltre la tensione Vbr, pari praticamente alla Vinn del SCR,quindi per il diodo D2 si raggiunge l’effetto a valanga.

Ciò crea un numero elevato dielettroni tale da invertire le polarit à 2e 3 e portare di fatto anche lagiunzione G2 alla polarizzazionediretta, con conseguente passaggionel circuito di una corrente di valoreelevato.

La presenza del circuito di gateserve per poter regolare il valore ditensione per innescare il tiristore.


TRANSISTOR di potenzaLa costituzione di un transistor si basa suisemiconduttori di tipo p ed n, ma a differenza deldiodo gli strati presenti sono tre. Di lato sonoriprodotti sia la costituzione interna (strutturautilizzata didatticamente) sia il simbolo dltransistor.

Si può osservare la presenza di tre morsetti,collegati ad altrettanti strati di semiconduttore.

Il morsetto indicato con la lettera C, viene dettodi collettore, mentre B sta per base ed infine la Eindica il morsetto emettitore.Si analizzerà il comportamento da commutatore di stati o interruttore deltransistor, infatti il componente elettronico in esame trova app licazionenei circuiti di regolazione della velocit à di motori proprio per la suaelevata rapidità di commutazione.


TRANSISTOR di potenzaLa commutazione tra i due stati difunzionamento (ON-OFF) vienecomandata dalla corrente di baseIB. Si può paragonare il transistorad una valvola la cui apertura vienedettata dalla IB. In conseguenza diciò si ottengono più curvecaratteristiche, che vedono inrelazione la corrente di collettore Iccon la tensione Vce

Nel grafico delle caratteristiche si individuano tre zone:-zona attiva: funzionamento da amplificatore-zona di saturazione : funzionamento da interruttore chiuso-zona di interdizione : funzionamento da interruttore aperto


TRANSISTOR di potenzaIl funzionamento da amplificatore verrà trattato brevemente, evidenziandola relazione esistente tra la corrente di base Ib e la corrente di collettore Ic,che sarà fornita al carico. Generalmente la Ib presenta valori dell ’ordine deiA, mentre la Ic avrà valori dell’ordine di mA. Ciò vuol direun’amplificazione di corrente da parte del transistor di valore com preso tra i100 i 1000. Dalle curve caratteristiche si può comprendere quan to detto inprecedenza, dove si è paragonato il transistor ad una valvola, infattiall’aumentare della Ib conseguentemente si registra anche un aument odella Ic.Se la Ib si abbassa ad un valor prossimo a zero siregistra un diminuzione anche della Ic, tale da nonfar circolar corrente tra i morsetti di collettore edemettitore e quindi aprire il transitor stesso. Si èpraticamente portato il transistor a lavorare ininterdizione, cioè da interruttore aperto.


TRANSISTOR di potenzaPer portare invece il transistor in zona di saturazione, comport amento dainterruttore chiuso, bisogna fornire una tensione al circuito di base tal darispettare la seguente relazione:

dove, oltre già conosciute Ib ed Ic, è presente il valore hfe parametrocostruttivo del transistor.

feh

IcIb

Negli stati di funzionamento da interruttore, iltransistor ha comunque piccole perdite dipotenza.

Esistono in commercio transistor chepresentano valori di corrente elevate (500A),ma basse tensioni oppure transistor conelevate tensioni di breakdown (3000V) ecorrenti di qualche decine di ampere.

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