Che cos'è un diodo?

I primi diodi erano i baffi del gatto usati per estrarre l'audio da un segnale a radiofrequenza modulato. Poi c'erano tubi a vuoto a diodi che svolgevano la stessa funzione ma erano molto più stabili. Oggi parliamo sempre di un dispositivo a semiconduttore a base di silicio. Questi sono molto comuni nel nostro mondo elettronico e oltre, dai semplici giocattoli per bambini alla Stazione Spaziale Internazionale. I diodi possono essere dispositivi elettronici discreti o numerose parti costituenti un circuito integrato (IC) o un microchip.

Innanzitutto, a titolo di panoramica, vedremo come vengono utilizzati i diodi e discuteremo alcune delle loro proprietà elettriche, incluso come testarli e le cause del guasto. Quindi, daremo un'occhiata a come funzionano i diodi a livello subatomico. Naturalmente, questi piccoli dispositivi in ​​confezioni sigillate non possono essere aperti e riparati, ma è molto utile comprendere il funzionamento interno poiché ciò fornisce informazioni su come funzionano i diodi nei circuiti elettronici e anche tale comprensione pone le basi per comprendere semiconduttori più complessi come come transistor, MOSFET e IC.

Infine, vedremo i ruoli che i diodi svolgono all'interno delle apparecchiature elettriche e discuteremo alcune delle tecniche di risoluzione dei problemi e delle modalità di guasto che si possono incontrare nella manutenzione di azionamenti motore, alimentatori e pannelli di controllo.

La maggior parte dei diodi è facilmente riconoscibile. Di solito sono piccoli oggetti tubolari con due cavi, uno a ciascuna estremità. L'aspetto è simile a quello di un resistore, ma al posto delle molteplici bande colorate, vedrai stampato sulla confezione un piccolo schema diodo, che illustra il flusso di corrente e in questo modo identifica i conduttori. Oppure potrebbe esserci una singola banda che denota il catodo. I diodi più grandi, destinati a gestire livelli di potenza elevati, possono avere dissipatori di calore con alette di raffreddamento prominenti.

Elettricamente, il comportamento di un diodo è molto semplice. In un circuito CC, il diodo conduce in una direzione e non conduce nell'altra direzione. Assomiglia a una valvola di ritegno in un sistema idrico. Ma, quando la valvola di ritegno è soggetta a contropressione, un diaframma viene premuto contro una sede della valvola bloccando il flusso dell'acqua. Il diodo funziona in modo diverso. Come vedremo, la polarizzazione inversa attira i portatori di carica lontano dalla giunzione in modo che uno strato submicroscopico senza portatori di carica blocchi il flusso di elettricità.

Per testare un diodo, imposta il multimetro sulla funzione ohm e tocca le sonde sui cavi. Quindi, invertire il collegamento. In un modo, la resistenza sarà alta; l'altro modo leggerà basso se il diodo è buono. Per questo test, i valori ohm precisi non sono generalmente rilevanti. Quello che cerchiamo è una differenza sostanziale tra le due letture. Se un diodo si guasta, di solito si apre o va in cortocircuito interno: l'evento è catastrofico. (Questo è in contrasto con un condensatore, che può perdere gradualmente capacità.) Ciò che fa funzionare il test dell'ohmmetro è che l'alimentazione interna del misuratore, destinata a facilitare le misurazioni della resistenza, applica una polarizzazione di circa tre volt al diodo. Quando la sonda positiva è collegata all'anodo e la sonda negativa è collegata al catodo, il diodo conduce. Quando queste connessioni sono invertite, il diodo non conduce. Normalmente, nell'eseguire questo semplice test passa, non passa, non devi preoccuparti della polarità dei cavi. Basta accertare se ci sono letture molto diverse tra i due collegamenti. Per la maggior parte degli scopi, ciò rivelerà lo stato del diodo. Per una comprensione completa di ciò che sta accadendo, è necessario rendersi conto che la maggior parte dei produttori di misuratori alimenta le sonde in modo che il rosso sia positivo. Ma poiché questo non è sempre il caso, potresti voler controllare il tuo misuratore usando un buon diodo noto ed etichettare le sonde di conseguenza.

Il test dell'ohmmetro può essere simulato utilizzando una piccola cella a secco o un alimentatore CC e un milliamperometro. Tuttavia, è sempre necessario inserire un LED, un resistore o un altro carico per limitare la corrente nel circuito in serie per evitare che il diodo e il milliamperometro vengano immediatamente distrutti da una forte corrente.

Se il tuo multimetro incorpora una funzione di controllo del diodo, usa quella piuttosto che la funzione ohmmetro, poiché misura la caduta di tensione attraverso la giunzione piuttosto che la resistenza, che sebbene adeguata per la maggior parte degli scopi è in realtà una pseudo-lettura poiché il valore dipende dal bias fornito dall'alimentazione del contatore. Utilizzando la funzione di test dei diodi, eseguire due letture separate, una in ciascuna direzione. Come la funzione ohm, il misuratore polarizza il diodo. Puoi trovare la quantità di bias guardando il display quando le sonde non sono collegate al diodo e non si toccano. Quando il diodo è polarizzato inversamente, verrà visualizzato tale importo. Se il valore è inferiore, vi è una dispersione di polarizzazione inversa e, se è significativa, è necessario sostituire il diodo. Nel collegamento del bias diretto, cerca una caduta di 0.6 volt.

Naturalmente, i test dei diodi utilizzando il multimetro in modalità ohm o test diodi devono essere eseguiti con l'apparecchiatura spenta. Alcuni ohmmetri sono protetti contro il collegamento involontario a terminali sotto tensione, ma, nella migliore delle ipotesi, la protezione non è una cosa sicura. Molti tipi di apparecchiature elettriche contengono condensatori nelle immediate vicinanze (elettricamente) dei diodi. È necessaria cautela, poiché i condensatori mantengono una carica elettrica molto tempo dopo essere stati spenti e scollegati dalla fonte di alimentazione. Questo perché i condensatori, in particolare gli elettrolitici, stanno facendo quello che dovrebbero fare. Inoltre, c'è il fenomeno della capacità distribuita, che, come suggerisce il nome, è in grado di apparire inaspettatamente. Oltre a scosse elettriche, sono possibili lesioni da arco elettrico. I cinescopi televisivi e gli impianti fotovoltaici possono essere particolarmente pericolosi in questo senso.

Molti tecnici deviano questa energia elettrica a terra per mezzo di un cacciavite o filo isolato, ma è sempre possibile scivolare. Inoltre, il picco di alta tensione può perforare il sottile strato dielettrico del condensatore e distruggere i diodi vicini e altri semiconduttori. È meglio collegare una resistenza di potenza o un altro carico appropriato the source di energia immagazzinata e lasciarlo sanguinare a un ritmo ragionevole. Utilizzare clip a coccodrillo con manicotti in gomma e tenere lontano da superfici con messa a terra. Non lavorare su questo tipo di attrezzatura a meno che tu non comprenda i rischi coinvolti e sappia come mitigarli. Non farti ingannare. Anche una fotocamera digitale può ospitare tensioni letali molto tempo dopo che la batteria è stata rimossa.

Un diodo può essere testato nel circuito o deve essere rimosso? La risposta è un enfatico "a volte!" Quello che devi guardare è se esiste un percorso di corrente parallelo che interromperebbe la lettura. Dovrebbe essere facile da determinare visivamente o consultando lo schema. In caso di dubbio, scollegare temporaneamente un cavo.

Il meccanismo subatomico interno di un diodo è semplice e facile da capire. Come altri semiconduttori, la maggior parte dei diodi oggi è fatta di silicio, uno degli elementi più abbondanti sulla terra e l'ingrediente principale del quarzo e della comune sabbia delle spiagge. È un elemento con un numero atomico di 14, ed è circondato nella tavola periodica da boro, carbonio, azoto, alluminio, fosforo, gallio, germanio e arsenico, i quali condividono un'importante proprietà che è la chiave di questa discussione. Hanno meno del massimo e più del minimo numero di elettroni nell'orbita esterna o di valenza, che è dove l'azione è in termini di interazione con il mondo esterno.

Il nostro sistema solare è costituito da pianeti e altri corpi in orbita attorno al sole. Queste orbite giacciono tutte sullo stesso piano, mentre gli elettroni che orbitano attorno a un nucleo atomico non occupano lo stesso piano ma corrono intorno a tutte le inclinazioni possibili. Le orbite sono meglio visualizzate come conchiglie. Poiché il silicio ha quattro elettroni nel suo guscio esterno (di valenza), un singolo atomo è in grado di legarsi strettamente con quattro atomi di silicio adiacenti. Il silicio puro così organizzato forma un reticolo cristallino di grande stabilità, simile al diamante quando gli atomi di carbonio condividono gli elettroni di valenza per formare un reticolo cristallino. Così configurato, non ci sono elettroni liberi, e per questo motivo il materiale non è conduttivo. Ma, quando vengono introdotte piccole quantità di alcune altre sostanze, la situazione cambia drasticamente. In particolare, se il silicio cristallino è esposto al fosforo o all'arsenico, entrambi i quali hanno cinque elettroni nei loro gusci di valenza, l'elettrone in più non è legato nel reticolo cristallino ma vaga nello spazio vuoto tra gli atomi di silicio, modificando notevolmente il proprietà elettriche del cristallo. Ora il silicio è più conduttivo. Il processo di esposizione del silicio cristallino a queste impurità è chiamato drogaggio e il materiale risultante è noto come silicio di tipo N perché gli elettroni liberi hanno una carica negativa.

Al contrario, quando il silicio cristallino viene portato in presenza di boro o gallio, che hanno entrambi solo tre elettroni di valenza, si ha una carenza di elettroni liberi. Le entità risultanti non sono realmente particelle cariche positivamente come i protoni, ma piuttosto sono assenze. Funzionano come corpi privi di massa caricati positivamente che si muovono attraverso gli spazi relativamente vasti tra gli atomi di silicio. Di conseguenza, anche questo silicio di tipo P diventa conduttivo. Le particelle virtuali nel silicio di tipo P sono note come buchi. Sia gli elettroni nel silicio di tipo N che le lacune nel silicio di tipo P sono portatori di carica, e questa è la loro ragione d'essere; è ciò che rende i semiconduttori utili nel nostro mondo elettronico. Da soli, il silicio di tipo N e P non fa molto. A differenza del silicio cristallino puro, questi materiali sono conduttivi, ma non sono come il rame, che è altamente conduttivo e malleabile in modo che possa essere disegnato per formare conduttori.

Per creare un diodo, piccoli pezzi di silicio ultrapuro di tipo N e P sono legati insieme e i cavi sono fissati alle estremità. I dispositivi risultanti sono noti come diodi e, insieme a dispositivi a semiconduttore più complessi come i transistor, hanno cambiato il nostro mondo.

I semiconduttori sono così chiamati non perché sono parzialmente conduttivi come i resistori al carbonio oa filo avvolto, ma perché in determinate condizioni conducono e in determinate altre condizioni non conducono. Ha a che fare con il modo in cui sono polarizzati, ovvero quale polarità è collegata a quale cavo. Il cavo collegato al materiale di tipo P è noto come anodo e il cavo collegato al materiale di tipo N è noto come catodo. Come tutti sappiamo, quando si tratta di cariche elettriche, i dissimili si attraggono e i mi piace si respingono. Visualizza una fonte di alimentazione CC collegata al diodo, con una lampada in serie. (Se questo esperimento viene eseguito utilizzando un amperometro, è necessario inserire in serie anche un carico appropriato per limitare la corrente, per evitare che diodo e amperometro vengano immediatamente distrutti.

Se il polo positivo è collegato all'anodo e il polo negativo è collegato al catodo, gli elettroni negativi nel silicio di tipo N e le lacune positive nel silicio di tipo P verranno respinti. Questi portatori di carica si affolleranno da entrambi i lati verso l'incrocio. Il diodo condurrà. L'altro scenario è che il polo negativo della fonte di alimentazione è collegato all'anodo del diodo e il polo positivo è collegato al catodo. Ora i portatori di carica sono attratti dai poli della fonte di alimentazione. Su entrambi i lati, migrano lontano dall'incrocio, che ora può essere considerato un'area di esaurimento. Poiché non ci sono portatori di carica in questa regione, il diodo non condurrà.

Il diodo condurrà o non condurrà a seconda di come è polarizzato, cioè a seconda della polarità della tensione applicata. Un relè magnetico o un tubo a vuoto possono essere configurati per fare la stessa cosa, ma il diodo a stato solido è meno costoso, più affidabile e, soprattutto, più veloce, vale a dire che è in grado di rispondere in frequenza molto meglio.

Grazie alla sua capacità di fungere da elettrovalvola unidirezionale, il diodo ha numerose applicazioni:

• Un diodo di blocco posto in serie con una batteria impedirà il flusso di corrente se la batteria è installata al contrario nel suo supporto, proteggendo apparecchiature preziose da danni da inversione di polarità. Molti generatori DC funzionano come motori quando viene applicata la polarità inversa. Le turbine eoliche CC hanno diodi inseriti in serie tra il banco batterie e il generatore, in modo che le batterie non si scarichino attraverso il generatore, facendo girare la turbina quando non c'è brezza. I sistemi solari fotovoltaici sono ugualmente protetti.
• I diodi Zener sono usati per regolare la tensione. Come accennato, i diodi non conducono quando sono polarizzati inversamente. Ma se la tensione di polarizzazione inversa viene aumentata al di sopra di un certo livello noto come tensione di rottura, il diodo condurrà improvvisamente, distruggendo il dispositivo. I diodi Zener sono progettati in modo da poter tollerare questa tensione di rottura della polarizzazione inversa senza danni, rendendoli utili come regolatori di tensione, comuni negli alimentatori e presenti in tutti i tipi di apparecchiature elettriche.
• Allo stesso modo, i diodi a valanga proteggono i circuiti dai picchi di alta tensione.
• I diodi Varactor sono utilizzati per sintonizzare elettronicamente i circuiti radio.
• I diodi tunnel e i diodi Gunn sono utilizzati come oscillatori nelle applicazioni ad alta frequenza.
• I diodi emettitori di luce sono stati utilizzati come indicatori luminosi in molti tipi di apparecchiature elettroniche e i recenti progressi in termini di efficienza li hanno resi adatti per torce ad alte prestazioni, luci di uscita affidabili negli edifici pubblici e persino illuminazione di uso generale. I telecomandi palmari per TV, condizionatori e apparecchiature simili utilizzano i LED per produrre raggi infrarossi. I LED sono utilizzati anche nelle letture alfanumeriche.

Le celle solari negli impianti fotovoltaici sono diodi. Se un oggetto viene colpito da energia radiante come la luce solare, l'energia che non viene riflessa e non trasmessa verrà assorbita. Questa energia assorbita si traduce in un maggiore movimento molecolare ma l'energia elettrica utile non può essere estratta poiché l'energia è casuale e le polarità si annullano. Se il corpo è un diodo con una giunzione semiconduttiva e se i cavi sono fissati alle estremità lontane dalla giunzione, apparirà una tensione e se è collegato un carico, la corrente scorrerà. Per catturare questa energia, gli elettrodi metallici devono essere fissati al silicio di tipo N e P. Sul lato inferiore, questo non è un problema, ma sul lato superiore una piastra così solida bloccherebbe l'energia solare in entrata. Un compromesso si ottiene formando una griglia in modo che l'energia elettrica possa essere convogliata al piombo senza bloccare completamente la luce solare. I conduttori sottili che formano la griglia avranno una portata limitata, quindi c'è una certa perdita rispetto alla piastra del lato inferiore, ma questo elettrodo può essere ottimizzato formando i membri della griglia con una sezione trasversale rettangolare, la dimensione lunga perpendicolare alla superficie della cellula.

Poiché i diodi conducono in una sola direzione, possono essere utilizzati per raddrizzare la corrente alternata, l'uscita essendo una corrente continua pulsante, che può essere successivamente filtrata per appianare le fluttuazioni. Un semplice raddrizzatore può essere costruito mettendo un diodo in serie con una sorgente CA. Questo è chiamato un raddrizzatore a semionda. Come suggerisce il nome, solo metà dell'onda viene rettificata, lasciando periodi vuoti nell'output con una conseguente perdita di efficienza. Un raddrizzatore a onda intera è più efficiente e l'uscita è più uniforme, quindi è necessario meno filtraggio.

I diodi possono funzionare come moltiplicatori di tensione, ad esempio raddoppiando la tensione di ingresso. Varie configurazioni possono triplicare la tensione o, utilizzate in cascata, raggiungere una tensione molto elevata per scopi sperimentali e altri.

I diodi sono utilizzati per la miscelazione non lineare di due tensioni. Questo è noto come modulazione di ampiezza. Un'onda portante ad alta frequenza viene modificata da un segnale audio o video. La portante ad alta frequenza è necessaria per la trasmissione a distanza. All'estremità del ricevitore, si verifica la demodulazione. Modulazione e demodulazione possono trovarsi nello stesso contenitore, nel qual caso è noto come modem. Spesso le due operazioni avvengono a centinaia o migliaia di chilometri di distanza, ma indipendentemente da dove c'è modulazione, ci sarà demodulazione, ed entrambe le operazioni richiedono diodi.

La velocità, il senso di rotazione e altri parametri operativi di un motore CA possono essere controllati da un convertitore di frequenza (VFD). Si tratta di un'apparecchiatura straordinaria e di facile utilizzo che dipende per il suo funzionamento da 12 o più diodi di potenza di grandi dimensioni. Quando un VFD si guasta, un diodo in cortocircuito o aperto è il solito colpevole. Un articolo successivo discuterà in dettaglio la risoluzione dei problemi e la riparazione del VFD. Per ora, menzioneremo il fatto che per un corretto funzionamento il bus DC dovrebbe trasportare una corrente continua pura senza armoniche o contaminazione da rumore. Ciò è meglio accertato osservando la tensione visualizzata sullo schermo di un oscilloscopio. Tutti i condensatori e i diodi prima e dopo il bus DC devono essere in buono stato. Eseguire questi test con la fonte di alimentazione scollegata e bloccata e con le tensioni memorizzate completamente scariche. Anche con queste misure protettive in atto, non è necessario toccare le parti conduttive. Utilizzare solo strumenti completamente isolati e apparecchiature di prova classificate per la tensione del sistema.

I diodi sono parti critiche di ogni alimentatore nelle apparecchiature elettroniche in cui è necessario convertire l'alimentazione CA o l'alimentazione generata in loco in CC. Nella ricerca della causa di un malfunzionamento, osservare i percorsi di forte flusso di corrente; questo di solito significa gli alimentatori o gli stadi di uscita e i dispositivi, come gli altoparlanti. Se il sistema è guasto, cioè nessuna risposta quando è collegato alla fonte di alimentazione, uno o più diodi potrebbero essere guasti. Questi, insieme ai condensatori elettrolitici, spesso scendono. Una causa frequente è un cortocircuito seguito immediatamente da un forte assorbimento di corrente e quindi un'apertura, dopo che il guasto è stato eliminato. Inoltre, picchi di linea e transitori possono distruggere i diodi. Provali come descritto in precedenza ed esaminali visivamente per individuare eventuali danni.

I grandi diodi di potenza hanno dissipatori di calore per eliminare l'energia termica in eccesso. Dove il diodo viene a contatto con il dissipatore di calore, dovrebbe essere applicato uno strato molto sottile di grasso termico, senza eccessi. Il materiale riempie le fosse nelle superfici metalliche di accoppiamento al fine di migliorare il trasferimento di calore. È simile all'inibitore di corrosione che gli elettricisti applicano alle terminazioni di grandi conduttori di alluminio nei servizi. Non utilizzare mai grasso multiuso standard.

Con così tante dimensioni, forme e parametri elettrici, non sorprende che la sostituzione delle parti del diodo possa essere problematica. È qui che entrano in scena le schede tecniche del produttore. Questi sono disponibili gratuitamente come download PDF. Nel tuo motore di ricerca, digita il numero di parti + la scheda tecnica. Fairchild Semiconductor fornisce schede tecniche complete e ben illustrate, essenziali per il lavoro di progettazione e qualsiasi riparazione in cui si desideri eseguire la sostituzione delle parti.

Alcuni dei parametri elettrici e termici più importanti sono:

• Tensione inversa ripetitiva massima
• Corrente diretta media rettificata
• Corrente diretta CC
• Corrente diretta di picco ricorrente
• Intervallo di temperatura di conservazione
• Temperatura di giunzione operativa
• Dissipazione di potenza
• Resistenza termica, giunzione all'ambiente
• Calo di tensione
• Tensione diretta
• Perdita inversa
• Capacità totale
• Tempo di recupero inverso

Inoltre, ci sono grafici delle prestazioni che mostrano vari parametri elettrici con la corrente tracciata rispetto alla tensione e una curva di declassamento della potenza a varie temperature. Le schede tecniche mostrano anche rappresentazioni pittoriche raffiguranti la banda di identificazione del catodo e l'identificazione del numero di parti.