Esercitazione 1 - Diodi

ELETTRONICA Esercitazione 1

Esercitazione 1: DIODO RETTIFICATORE e DIODO ZENER

Corso di Elettronica – Prof. Gian-Franco Dalla Betta

Ing. Francesco Ficorella, Ph.D.

FBK Tel: 0461 - 314443

E-mail: [email protected]

Esempio 1.1: RADDRIZZATORE a DOPPIA SEMIONDA

Il primo passo per poter realizzare un circuito rettificatore AC/DC è quello di trasformare la sinusoide

d’ingresso in un’onda avente tensione sempre positiva. Un circuito in grado di fare questo è il ponte di diodi

riportato in Figura 1.

Figura 1 - Circuito rettificatore a doppia semionda.

Per capire come funziona questo semplice circuito, occorre anzitutto impostare ampiezza e frequenza del

generatore sinusoidale di ingresso: VAMPL=10, FREQ=50. A questo punto si può osservare la tensione ai

capi della resistenza di carico RLoad=4k tramite una simulazione in transitorio si ottiene l’andamento

riportato in Figura 2 (final time=60ms).

Rload in gergo si dice “flottante” ovvero non ha un terminale direttamente collegato a GND. Per poter

visualizzare la tensione differenziale ai capi di RLoad occorre selezionare un apposito marker differenziale

attraverso Markers -> Mark Voltage Differential e posizionare le due sonde sui due terminali di Rload (il cui

segno dipenderà da come vengono posizionati i marker + e -).

Listato Spice:

RADDRIZZATORE A DOPPIA SEMIONDA

.MODEL Dbreak D

V1 In 0 DC 0 AC 10

+ SIN(0 10 50 0 0)

D1 In Out1p Dbreak

Rload Out1p Out1n 4k

D3 Out1n 0 Dbreak

D2 O Out1p Dbreak

D4 Out1n In Dbreak

.TRAN 200u 20m

.PRINT TRAN V(In) V(Out1p,Out1n)


Figura 2 - Simulazione in transitorio del circuito rettificatore ad onda intera.

Durante il semiciclo positivo della sinusoide d’ingresso i diodi D1 e D3 sono in conduzione mentre D2 e

D4 sono spenti, al contrario durante il semiciclo negativo, sono accesi D2 e D4 e sono spenti D1 e D3.

Questo comportamento può essere meglio compreso visualizzando l’andamento delle correnti di ogni diodo

al variare della tensione di ingresso (Figura 3).

Figura 3 - Andamento delle correnti di ciascun diodo e delle tensioni ai capi di Rload.

All’inizio le due uscite Out1p e Out1n sono a massa; non appena Vin inizia ad aumentare (primo semiciclo

positivo), non succede nulla finché ai capi di D1 e D3 non si raggiunge la tensione di accensione del diodo.

A questo punto D1 e D3 vanno in conduzione e Out1p segue Vin. Un discorso analogo vale durante il

semiciclo negativo.


Esempio 1.2: RADDRIZZATORE STABILIZZATO (con filtro RC)

Una volta raddrizzata la tensione sinusoidale di ingresso tramite il ponte di diodi, è necessario filtrare l’uscita

di quest’ultimo per ridurre le oscillazioni residue. Questo può essere fatto tramite il circuito di Figura 4, in

cui si è semplicemente aggiunto al ponte di diodi un filtro RC avente tempo di scarica determinato dalla

costante di tempo LoadLoad CR 2 .

Figura 4 - Raddrizzatore stabilizzato con filtro RC.

Il risultato della simulazione in transitorio è riportato in. Figura 5. Come è possibile notare la tensione

d’uscita presenta un’oscillazione residua (ripple) piuttosto contenuta. In pratica, durante il periodo di

conduzione del diodo il condensatore accumula energia, e la cede al carico durante l’interdizione del diodo.

Figura 5 - Andamento nel tempo del raddrizzatore stabilizzato con filtro RC a basso .

Listato Spice:

RADDRIZZATORE STABILIZZATO RC

.MODEL Dbreak D(RS=0.1)

V1 In 0 DC 0 AC 10

+ SIN(0 10 50 0 0)

D1 In Out1p Dbreak

RLoad Out1p Out1n 4k

CLoad Out1p Out1n 25u

D3 Out1n 0 Dbreak

D2 O Out1p Dbreak

D4 Out1n In Dbreak

.TRAN 200u 20m



Per poter calcolare il valore di CLoad, tale da poter garantire un valore di ripple prefissato, è sufficiente

operare delle semplificazioni:

considerare come punto iniziale della scarica del condensatore l’istante in cui il generatore eroga la

massima tensione, ovvero 1 4t T , dove T è i periodo della sinusoide generata ( 1T f )

considerare come punto finale per la scarica del condensatore l’istante in cui il generatore eroga la

minima tensione, ovvero 3 4t T

considerare LINEARE la scarica del condensatore (approssimazione del primo tratto di

esponenziale), ovvero t

VCI LoadLoadC

considerare la corrente che scorre sul carico COSTANTE e pari a

mAVV

R

VV

R

VI

Load

Max

Load

LoadR

LoadR 15.24000

4.1102

dove MaxV è l’ampiezza della sinusoide generata e V la tensione del “ginocchio” del diodo

Volendo ottenere un ripple massimo di 100 mV si ottiene il seguente valore di LoadC :

uFVf

I

V

ItC LoadCLoadC

Load 2152

avendo sostituito i seguenti valori

f

TTTt

2

1

24

1

4

3 tempo di scarica del condensatore

100V mV tensione di scarica del condensatore

LoadRLoadC II corrente erogata dal condensatore = corrente dissipata dal carico

Ripetendo la simulazione di Transitorio con tale valore di CLoad si ottiene l’andamento riportato in Figura 6.

Figura 6 - Andamento nel tempo del raddrizzatore stabilizzato con filtro RC ad elevato .


Esempio 1.3: Raddrizzatore Stabilizzato (con Diodo Zener)

Molto spesso, i circuiti elettronici richiedono uno specifico valore di tensione di alimentazione. Per poter

ottenere quindi una tensione stabile (entro i limiti del ripple che è stato calcolato in precedenza), ma

soprattutto di valore noto, nel passato si è fatto largo uso di diodi Zener. Tale tipo di diodo, superato un

certo valore di tensione inversa applicata, denominato di Breackdown (BV), in prima approssimazione

presenta una tensione FISSA ai suoi capi, anche al variare della corrente che lo attraversa.

Si modifichi quindi lo schematico dell’esercizio precedente, come riportato in Figura 7.

Figura 7 - Schematico del Raddrizzatore Stabilizzato con Diodo Zener

NOTARE BENE: COME INSTANZIARE IL COMPONENTE DIODO ZENER

Il componente Diodo Zener è denominato “DbreakZ” e si trova nella libreria “Breakout”.

Una volta instanziato il diodo Zener D5, selezionarlo con il tasto sinistro del mouse.

Andare quindi nel menù Edit->Model e selezionare Edit Instance Model (text). A questo punto compare

la finestra riportata in Figura 8.

MODIFICARE il nome del modello da Dbreak a DbreakZ

INSERIRE i valori BV=4.7 (tensione di Breakdown) e Ibv=5m (corrente alla tensione BV)

Figura 8 - Editino dei parametri del Diodo Zener

Listato Spice:

INSTANZIARE UN DIODO ZENER

.MODEL DbreakZ D(BV=4.7 IBV=5m RS=0.1)

DZ1 N+ N- DbreakZ

Listato Spice:

RADDRIZZATORE STABILIZZATO ZENER


.MODEL DbreakZ D(BV=4.7 IBV=5m

+ RS=0.1)

V1 In 0 DC 0 AC 10

+ SIN(0 10 50 0 0)

D1 In Out1p Dbreak

R1 Out1p Out2p 100

RLoad Out2p Out1n 4k

CLoad Out2p Out1n 25u

DZ1 Out1n Out2p DbreakZ

D3 Out1n 0 Dbreak

D2 O Out1p Dbreak

D4 Out1n In Dbreak

.TRAN 200u 20m



Figura 9 - Simulazione di Transitorio del Raddrizzatore Stabilizzato con Diodo Zener

Operando una simulazione di transitorio su più periodi si ottiene l’andamento riportato in Figura 9. Si può

notare come, sebbene il valore basso di CLoad comporterebbe un ripple di quasi 700mV (Esempio 1.1), la

presenza del diodo zener consente di ottenere un ripple piú contenuto (meno di 300mV) ma soprattutto un

valore medio della tensione di uscita pari al valore nominale dello zener stesso, permettendoci di svincolarci

dal valore di tensione in ingresso.

Esempio 1.4: Circuito di clipping (limitatore di tensione)

Si consideri il circuito riportato in Figura 10:

Figura 10 - Limitatore di tensione positiva.

Effettuando una simulazione DC sweep sulla tensione V1 tra -5V e 5V è possibile visualizzare l’effetto di

limitatore di tensione positiva svolto dal diodo D1, come è possibile osservare nella Figura 11.

Listato Spice:

CIRCUITO DI CLIPPING


V1 In 0 DC 5

R1 In Out 1Meg

D1 Out 0 Dbreak

.DC V1 -5 5 0.1

.PRINT DC V(In) V(Out)


Figura 11 - Simulazione DC per visualizzare l'effetto di limitatore di tensione positiva.

Finché la tensione ai capi del diodo non supera la tensione di accensione, il diodo D1 è spento (Id=0) e la

tensione d’uscita, Vout, segue la tensione di ingresso V1. Non appena Vout supera la tensione di accensione

del diodo (VON=450mV), il diodo si accende e si comporta come un generatore di tensione con tensione

VON. Al crescere di V1, il nodo d’uscita si muove appena e la corrente Id cresce in modo lineare con

pendenza 1/R1 (legge di Ohm).

Esempio 1.5: Simulazione in transitorio del circuito di clipping positivo.

Per poter spostare il punto in cui interviene l’effetto limitatore del diodo, è sufficiente aggiungere in serie a

D1 un generatore di tensione DC del valore desiderato.

Per poter osservare nel tempo l’effetto di limitatore di tensioni positive si disegni il circuito riportato in

Figura 12, in cui viene applicata una tensione sinusoidale in ingresso e si visualizza la tensione d’uscita

filtrata dal circuito di clipping.

Figura 12 - Circuito per osservare nel tempo l'effetto di clipping di tensioni positive.

Listato Spice:

CIRCUITO DI CLIPPING POSITIVO


Vin In 0 DC 0 AC 5 SIN(0 5 1k 0 0)

R1 In Out 1Meg

D1 Out 1 Dbreak

Vmax 1 0 DC 3

.TRAN 50u 1m

.PRINT TRAN V(In) V(Out)


Si impostino i parametri del generatore di tensione sinusoidale Vin come riportato in Figura 13:

Figura 13 - Finestra di dialogo per l'impostazione dei parametri di VSIN.

In questo modo viene applicato all’ingresso un segnale di tensione di tipo sinusoidale avente valor medio

VOFF=0V, ampiezza della semionda pari a VAMPL=5V (10V picco-picco), una frequenza di 1KHz, un

tempo di ritardo TD=0s, un fattore di smorzamento DF=0, ed una fase iniziale PHASE=0.

Il risultato di una simulazione in transitorio (Transient) di durata 5ms con uno step ceiling di 10us, è

riportato in Figura 14:

Figura 14 - Andamento nel tempo di Vin e Vout del circuito di clipping positivo riportato in Fig. 9.

Com’è possibile notare, finché Vout<VON+Vmax=3.45V il diodo non è in conduzione e Vout=Vin. Non

appena tale valore viene superato il diodo si accende limitando la tensione d’uscita.

Esercizi proposti:

A. Considerando il circuito proposto nell’esempio 1.1, si utilizzi un segnale di tensione in ingresso

(sempre di tipo sinusoidale) con una frequenza maggiore (ad esempio attraverso un AC Sweep).

Valutare l’effetto dei parametri SPICE relativi al comportamento in frequenza del diodo (CJ0 e TT)

sulla tensione d’uscita.

B. Tracciare la curva caratteristica del Diodo Zener (attraverso un DC Sweep).


C. Dato il seguente circuito

eseguire una simulazione PARAMETRICA per determinare il miglior valore di R1, al fine di far

funzionare correttamente DZ1 (BV=20, Ibv=10m).

D. Analizzare tramite simulazione TRANSIENT il comportamento del seguente circuito (circuito di

clipping a doppia alimentazione).

Listato Spice:

ESERCIZIO D


Vin In 0 DC 0 AC 5 SIN(0 5 1k 0 0)

R1 In Out 1Meg

D1 Out 1 Dbreak

Vmaxp 1 0 DC 3

Vmaxn 0 2 DC 2

D2 2 Out Dbreak

Listato Spice:

ESERCIZIO C

.MODEL DbreakZ D(BV=4.7 IBV=5m RS=0.1)

V1 In 0 DC 10

R1 In Out {res}

R2 Out 0 4k

D1 0 Out DbreakZ


Appunti di Teoria

Parametri PSPICE del componente DIODO

Nella seguente Tabella 1, sono riportati i parametri PSPICE di LIVELLO 1 (modello analitico attinente alla

FISICA del dispositivo) del componente DIODO.

Diode Parameter Name Default Value Unit

IS Saturation Current 1.E-14 [A]

N Ideality factor (aka emission coefficient) 1

BV (positive number) Breakdown voltage Infinite [V]

IBV (positive number) Breakdown current 1.E-03 [A]

RS Parasitic series resistance 0 []

TT Transit Time 0 [s]

CJO Zero-bias junction capacitance 0 [F]

VJ Junction Potential 1 [V]

M Capacitance coefficient 0.5

EG Semiconductor band-gap 1.11 [eV]

XTI Temperature coeff. for the saturation current 3

KF Flicker noise coefficient 0

AF Flicker noise exponent 1

FC Forward-bias capacitance coefficient 0.5

TNOM Nominal operating temperature 27 [°C]

Tabella 1 - Parametri PSPICE del componente DIODO

Le grandezze in esso utilizzate hanno quindi un significato ben preciso e sono legate alle equazioni che ne

regolano il comportamento FISICO. Nel caso di componenti reali, ovvero componenti discreti presenti in

commercio, tali grandezze sono estrapolate mediante caratterizzazione sperimentale dei dispositivi. Nel

corso di Elettronica, prenderemo in considerazione soltanto ALCUNI di tali parametri, legati per lo più al

modello equivalente del diodo visto a lezione e riportato in Figura 15, ovvero RS, IS, TT e CJ0.

Figura 15 - Equivalente circuitale del componente DIODO

In particolare, RS è la resistenza serie del dispositivo mentre IS la corrente di saturazione inversa. Per

caratterizzare in prima approssimazione la dinamica del dispositivo, si tiene conto anche della capacità C

Listato Spice:

CIRCUITO EQUIVALENTE DEL

DIODO REALE

R1 A 1 Rs_value

C1 1 K Cj_value

D1 1 2 D_ideal

V1 2 K DC Vt_value


legata ai parametri TT (tempo di transito) e CJ0 (capacità di giunzione in assenza di polarizzazione), l’uno

preponderante nel caso di conduzione diretta, l’altro nel caso di inversione di polarizzazione.

Prendendo in esame dispositivi del tipo Zener, occorre specificare anche i parametri BV (tensione di

breakdown) e IBV (corrente circolante nel dispositivo per una tensione inversa ai suoi capi pari a BV).

NOTA: per avvicinare un diodo “reale” al comportamento di quello ideale, è possibile abbassare il valore di

Rs (=> maggiore pendenza della curva I/V nel tratto a conduzione diretta), oppure abbassare il valore di N

(=> ginocchio del tratto a conduzione diretta sempre più prossimo ai 0V)

Tali “trucchi” hanno però scarso interesse, in quanto molto spesso portano soltanto alla generazione di

numerosi errori di convergenza per il simulatore.

Simulazioni PARAMETRICHE e PARAMETRI di MODELLI

E’ possibile effettuare delle simulazioni parametriche utilizzando come variabile il valore di un parametro

presente all’interno di un modello. Per far ciò occorre anzitutto abilitare la simulazione parametrica, poi

immettere il nome del modello e quello del parametro (interno al modello) da utilizzare come variabile,

come riportato nella seguente Figura 16.

Figura 16 - Simulazione Parametrica di un parametro di modello

Nel caso di un diodo, il TIPO del modello da inserire è “D”.

Il NOME del modello è invece legato al dispositivo instanziato nel circuito: nell’esempio 1.3 per i diodi

rettificatori viene utilizzato un modello di nome “Dbreak”, mentre per il diodo Zener viene utilizzato un

modello di nome “DbreakZ”… ENTRAMBI sono modelli di TIPO “D”, ovvero DIODI, ma per ciascuno

dei due sono stati assegnati dei valori differenti dei parametri.

Il NOME del PARAMETRO dipende invece dal TIPO di modello. Nel caso di diodi, si possono utilizzare i

parametri elencati nella Tabella 1.

Scelto il parametro, occorre poi definire il tipo di sweep ed il range di valori in cui farlo variare.

Listato Spice:

SIMULAZIONI PARAMETRICHE CON

PARAMETRI DI MODELLO


Soluzione parziale dell’Esercizio Proposto (A)

Si consideri il circuito di Figura 17, nel quale i due diodi hanno i parametri riportati in Figura 18

Figura 17 - Schematico del circuito per l’analisi dinamica del comportamento del componente DIODO

Figura 18 - Parametri del modello Dbreak utilizzato per D1 e D2

Una prima simulazione AC Sweep porta al risultato di Figura 19.

Figura 19 - Simulazione AC Sweep

Listato Spice:

ESERCIZIO D

.MODEL Dbreak D(RS=0.1 TT=1u)

Vin In 0 DC 1 AC 1

R1 In OutDir 1k

D1 OutDir 0 Dbreak

R2 In OutInv 1k

D2 0 OutInv Dbreak

.AC DEC 10 1k 100g

.PRINT AC V(OutDir) V(OutInv)


Occorre far notare come il simulatore, prima di procedere nella simulazione AC Sweep, trovi prima di tutto

il punto di lavoro DC del circuito stesso. Per permettere a D1 di funzionare correttamente in condizione di

polarizzazione DIRETTA e a D2 di funzionare correttamente in condizione di polarizzazione INVERSA,

occorre inserire come valore DC di Vin una tensione superiore a quella di “ginocchio” della caratteristica del

diodo, ovvero qualcosa nell’intorno dei 0.6V o 0.7V: DC=1V ci consente un margine di “tranquillità”.

All’interno della sua maglia, una volta fissato il suo stato di conduzione, il DIODO viene quindi a

comportarsi come un CONDENSATORE avente un valore legato ai parametri di modello Cjo e TT.

A questo punto, “giocando” con delle simulazioni parametriche, si può notare come il parametro TT vada

ad influenzare il solo comportamento di D2 (per cui risulta legato alla sola conduzione diretta) mentre Cjo

influenza il comportamento di entrambe i diodi. Si può quindi considerare la simulazione parametrica

impostata con i valori riportati in Figura 20, al fine di considerare l’effetto delle variazioni del parametro TT.

Figura 20 - Impostazioni della simulazione di tipo parametrico sul parametro di modello TT

Il risultato di tale simulazione è riportato nella seguente Figura 21: come accennato, il comportamento di D2

rimane invariato, mentre D1 presenta una frequenza di taglio molto differente a seconda del valore di TT.

Figura 21 - Risultati della simulazione AC Sweep, parametrizzata rispetto al parametro di modello TT

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