Diodi: cosa sono e come funzionano
Il diodo è uno dei componenti a semiconduttore più importanti dell’elettronica. Consente alla corrente di circolare con grande facilità in una direzione e la ostacola nella direzione opposta. Per comprenderlo davvero bisogna andare oltre l’idea della semplice “valvola”: vedremo giunzione PN, polarizzazione diretta e inversa, caduta di tensione, curva corrente-tensione, breakdown, dissipazione, velocità di commutazione e applicazioni pratiche.
Che cos’è un diodo?
Un diodo è un dispositivo a due terminali con comportamento fortemente non lineare. Nel caso più comune è realizzato attraverso una giunzione PN di materiale semiconduttore.
Diretta
Con la corretta polarità il diodo conduce corrente.
Inversa
Con polarità opposta la corrente è fortemente limitata.
Non lineare
Corrente e tensione non seguono una semplice legge di Ohm.
La giunzione PN: cosa succede dentro il diodo
Un diodo al silicio classico nasce mettendo a contatto una regione di tipo P, ricca di lacune come portatori maggioritari, e una regione di tipo N, ricca di elettroni liberi.
lacune maggioritarie
DI SVUOTAMENTO
elettroni maggioritari
Vicino alla giunzione alcuni portatori diffondono e si ricombinano. Rimangono così cariche fisse ionizzate che creano una regione di svuotamento e un campo elettrico interno. Questa barriera influenza direttamente la conduzione del dispositivo.
Anodo, catodo e simbolo circuitale
I due terminali sono chiamati anodo (A) e catodo (K). Nel normale funzionamento in polarizzazione diretta, la corrente convenzionale attraversa il diodo dall’anodo verso il catodo.
Polarizzazione diretta
Un diodo è polarizzato direttamente quando l’anodo è a un potenziale più positivo del catodo. La barriera della giunzione viene ridotta e la corrente può crescere rapidamente.
Nel modello semplificato di un diodo al silicio si usa spesso una caduta di circa 0,6–0,7 V, ma il valore reale dipende fortemente da corrente, temperatura, tecnologia e dispositivo.
Polarizzazione inversa
Quando il catodo è a potenziale maggiore dell’anodo il diodo è polarizzato inversamente. La regione di svuotamento si allarga e il dispositivo blocca quasi tutta la corrente.
Caduta di tensione diretta Vf
La forward voltage Vf è la tensione misurata ai capi del diodo mentre conduce una determinata corrente. Non è una costante indipendente dalle condizioni operative.
| Tecnologia | Vf indicativa | Note |
|---|---|---|
| Silicio PN | ≈ 0,55–1 V | Dipende molto dalla corrente. |
| Schottky | ≈ 0,15–0,5 V | Caduta più bassa, leakage spesso maggiore. |
| Germanio | ≈ 0,2–0,4 V | Oggi meno comune. |
| LED | ≈ 1,6–3,5 V o più | Dipende da materiale, colore e corrente. |
Curva corrente-tensione I-V
La caratteristica I-V di un diodo reale è fortemente non lineare. In diretta la corrente cresce molto rapidamente; in inversa rimane piccola finché non si raggiunge la regione di breakdown.
Breakdown in polarizzazione inversa
Se la tensione inversa supera un determinato valore, la corrente può aumentare rapidamente. Questa regione prende il nome di breakdown.
Corrente massima e dissipazione di potenza
Quando conduce, il diodo dissipa energia. Una stima semplice delle perdite in conduzione è:
P ≈ 0,75 × 1 = 0,75 W.
Questa potenza aumenta la temperatura della giunzione. Nei dispositivi di potenza bisogna quindi considerare resistenza termica, temperatura ambiente, package, PCB e dissipatore.
Reverse recovery: perché alcuni diodi sono più veloci
Una giunzione PN che sta conducendo contiene carica immagazzinata. Quando la tensione viene invertita, il diodo può continuare a condurre per un breve intervallo prima di bloccarsi completamente. Questo fenomeno è chiamato reverse recovery.
| Tipo | Commutazione | Uso tipico |
|---|---|---|
| 1N400x | Relativamente lenta | Raddrizzamento 50/60 Hz. |
| 1N4148 | Rapida | Segnali e commutazione. |
| Fast / ultrafast | Molto rapida | Alimentatori switching. |
| Schottky | Recovery molto ridotto | Switching e basse tensioni. |
Come testare un diodo con il multimetro
- Togli alimentazione al circuito.
- Scarica eventuali condensatori.
- Imposta il multimetro sulla funzione test diodo.
- Rosso sull’anodo e nero sul catodo: dovrebbe apparire la caduta diretta.
- Inverti i puntali: normalmente dovrebbe comparire OL o una lettura equivalente di circuito aperto.
| Lettura | Possibile interpretazione |
|---|---|
| Vf normale in un verso, OL nell’altro | Diodo probabilmente funzionante. |
| ≈ 0 V in entrambi i versi | Possibile diodo in corto. |
| OL in entrambi i versi | Possibile diodo interrotto, ma dipende dal tipo e dalla tensione di test. |
Principali famiglie di diodi
Diodi di segnale
Sono ottimizzati per segnali e commutazioni relativamente rapide. Un esempio classico è il 1N4148.
Diodi raddrizzatori
Sono progettati per gestire correnti maggiori e vengono impiegati soprattutto nella conversione AC/DC. La famiglia 1N400x è un esempio molto noto per applicazioni a bassa frequenza.
Diodi Schottky
Usano una giunzione metallo-semiconduttore. Hanno tipicamente una Vf inferiore rispetto ai normali PN e sono molto usati negli alimentatori switching e nei circuiti a bassa tensione. In cambio possono avere corrente inversa più elevata e tensioni inverse ammesse inferiori a equivalenti PN.
LED
Il LED è un diodo progettato affinché la ricombinazione dei portatori produca fotoni. Ha una caduta diretta dipendente dal materiale semiconduttore e dal colore emesso.
Zener e fotodiodi
Gli Zener sfruttano intenzionalmente il funzionamento inverso controllato per regolazione e protezione; i fotodiodi convertono la luce incidente in una risposta elettrica. Gli Zener sono trattati nella guida successiva dedicata.
Applicazione: raddrizzamento AC/DC
Uno degli usi storicamente più importanti del diodo è il raddrizzamento: trasformare una tensione alternata in una tensione unidirezionale pulsante.
Raddrizzatore a semionda
Un solo diodo lascia passare principalmente una semionda e blocca l’altra. È semplice ma sfrutta male il periodo della sorgente AC.
Ponte raddrizzatore
Con quattro diodi il ponte raddrizza entrambe le semionde. In ogni percorso conducono tipicamente due diodi, quindi la caduta complessiva è circa la somma delle rispettive Vf.
Applicazione: protezione contro l’inversione di polarità
Un diodo in serie all’alimentazione può impedire che una batteria collegata al contrario alimenti il circuito. È una soluzione semplice, ma introduce la caduta Vf e una dissipazione proporzionale alla corrente.
Applicazione: diodo flyback sui carichi induttivi
Relè, solenoidi e motori contengono induttanza. Quando la corrente viene interrotta rapidamente, la relazione v = L·di/dt può generare un picco di tensione elevato.
Questa applicazione collega direttamente quanto visto nella guida precedente sugli induttori e bobine.
Come leggere il datasheet di un diodo
Non basta conoscere il nome del componente. Il datasheet stabilisce i limiti reali e le condizioni alle quali sono specificati.
| Parametro | Significato |
|---|---|
| VRRM / VR | Tensione inversa massima ripetitiva o specificata. |
| IF / IF(AV) | Corrente diretta ammessa. |
| IFSM | Corrente impulsiva di picco non ripetitiva. |
| VF | Caduta diretta a una corrente e temperatura specificate. |
| IR | Corrente inversa alle condizioni indicate. |
| trr | Tempo di reverse recovery. |
| Cj | Capacità di giunzione. |
| Tj max | Temperatura massima della giunzione. |
Come scegliere il diodo giusto
| Domanda | Parametro da verificare |
|---|---|
| Qual è la tensione inversa massima? | VRRM con margine adeguato. |
| Quanta corrente deve condurre? | IF medio, picco e IFSM. |
| Quanto posso perdere in tensione? | VF alla corrente reale. |
| Quanto velocemente commuta? | trr o tecnologia Schottky. |
| Quanto si scalda? | VF·I, package e resistenza termica. |
| La frequenza è alta? | Reverse recovery e capacità di giunzione. |
| Serve protezione o regolazione? | Valutare TVS/Zener o circuiti dedicati. |