Come fare: diodi

Se in passato hai intrapreso progetti di elettronica, ci sono buone probabilità che tu abbia già incontrato questo componente comune e saldato nel tuo circuito senza pensarci due volte. I diodi sono preziosi nell'elettronica e servono a vari scopi, che saranno evidenziati nei prossimi passi.

Innanzitutto, cos'è un diodo?

Un diodo è un dispositivo a semiconduttore, che consente alla corrente di fluire in una direzione ma non nell'altra.

Un semiconduttore è un tipo di materiale, in questo caso silicio o germanio, le cui proprietà elettriche si trovano tra quelle dei conduttori (metalli) e degli isolanti (vetro, gomma). Considera la conduzione: è una misura della facilità relativa di cui gli elettroni si muovono attraverso un materiale. Ad esempio, gli elettroni si muovono facilmente attraverso un pezzo di filo metallico. È possibile modificare il comportamento di un materiale puro, come il silicio, e trasformarlo in un semiconduttore mediante drogaggio . Nel doping, mescoli una piccola quantità di impurità nella struttura cristallina pura.

I tipi di impurità aggiunti al silicio puro possono essere classificati come tipo N o tipo P.

  • Tipo N: con drogaggio di tipo N, il fosforo o l'arsenico vengono aggiunti, in parti per miliardo, al silicio in piccole quantità. Il fosforo e l'arsenico hanno entrambi cinque elettroni esterni, quindi vengono spostati quando entrano nel reticolo di silicio. Il quinto elettrone non ha nulla a cui legarsi, quindi è libero di muoversi. Ci vuole solo una piccolissima quantità di impurità per creare abbastanza elettroni liberi da consentire a una corrente elettrica di fluire attraverso il silicio. Gli elettroni hanno una carica negativa, da cui il nome di tipo N.
  • Tipo P - Nel drogaggio di tipo P, boro o gallio vengono aggiunti al silicio puro. Questi elementi hanno ciascuno tre elettroni esterni. Quando miscelati nella struttura del silicio, formano "buchi" nel reticolo in cui un elettrone al silicio non ha nulla a cui legarsi. L'assenza di un elettrone crea l'effetto di una carica positiva, da cui il nome di tipo P. I fori possono condurre corrente. Un buco accetta felicemente un elettrone da un vicino, spostando il buco su uno spazio.

I diodi sono costituiti da due strati di materiale semiconduttore drogati in modo diverso che formano una giunzione PN . Il materiale di tipo P ha un surplus di portatori di carica positiva (fori) e il tipo N, un surplus di elettroni. Tra questi strati, in cui i materiali di tipo P e di tipo N si incontrano, i buchi e gli elettroni si combinano, con gli elettroni estremi che si combinano con i fori in eccesso per annullarsi l'un l'altro, quindi viene creato uno strato sottile che non ha portatori di carica né positivi né negativi. Questo è chiamato strato di esaurimento.

Non ci sono portatori di carica in questo strato di esaurimento e nessuna corrente può fluire attraverso di esso. Ma quando viene applicata una tensione attraverso la giunzione, in modo che l'anodo di tipo P sia reso positivo e il catodo di tipo N negativo, i fori positivi vengono attratti attraverso lo strato di deplezione verso il catodo negativo, anche gli elettroni negativi vengono attratti verso l'anodo positivo e i flussi di corrente.

Pensa a un diodo come una strada a senso unico per l'elettricità. Quando il diodo è orientato in avanti, il diodo consente al traffico o alla corrente di fluire dall'anodo verso la gamba del catodo. In una polarizzazione inversa, la corrente viene bloccata, quindi non vi è alcun flusso di elettricità attraverso il circuito. Quando la corrente fluisce attraverso un diodo, la tensione sulla gamba positiva è superiore a quella sulla gamba negativa, questa è chiamata caduta di tensione diretta del diodo. La gravità della caduta di tensione è una funzione del materiale semiconduttore da cui è composto il diodo. Quando la tensione attraverso il diodo è positiva, molta corrente può fluire quando la tensione diventa abbastanza grande. Quando la tensione attraverso il diodo è negativa, praticamente non scorre corrente.

Passaggio 1: usi diversi per diodi diversi.

Esistono molti tipi diversi di diodi e ognuno ha uno scopo diverso come componente elettronico.

Un diodo o LED a emissione di luce è probabilmente il più noto e più facilmente identificabile. Il LED emette luce visibile quando gli elettroni saltano attraverso la giunzione PN. La luce risultante viene definita elettroluminescenza.

I fotodiodi si comportano solo quando sono esposti alla luce. Questi possono essere utili per realizzare progetti con un interruttore attivato dalla luce, in modo che un circuito sia attivo solo in presenza di luce.

I diodi Zener sono progettati per condurre nella direzione inversa, solo quando viene raggiunta una cosa chiamata tensione di interruzione il circuito conduce. Questi sono composti per tolleranze precise, vedere la sezione sui diodi Zener al punto 3.

I diodi raddrizzatori sono progettati per impedire all'elettricità di fluire nella direzione sbagliata. I diodi sono talvolta noti come raddrizzatori per il loro uso per correggere l'elettricità a corrente alternata in corrente continua, rimuovendo la parte negativa della corrente.

I diodi Schottky sono progettati per accendersi e spegnersi molto rapidamente quando viene raggiunta la tensione di rottura, rispondendo rapidamente nei circuiti digitali. Quando la corrente scorre attraverso un diodo, si verifica una caduta di tensione molto piccola tra i terminali. I diodi al silicio hanno una caduta di tensione o perdita; una caduta di tensione del diodo Schottky è significativamente inferiore. Questa caduta di tensione inferiore consente una maggiore velocità di commutazione e una migliore efficienza del sistema.

I diodi possono essere utilizzati in diversi modi, ad esempio per proteggere un circuito sensibile alla corrente. Un dispositivo che utilizza batterie conterrà probabilmente un diodo che lo protegge quando la batteria viene inserita in modo errato. Il diodo impedirà alla corrente inversa di spostarsi dalla batteria al resto del circuito, quindi il diodo protegge l'elettronica sensibile all'interno del circuito.

Nei prossimi passi troverai informazioni su alcuni dei tipi di diodi più comunemente usati.

Passaggio 2: diodo ad emissione luminosa

Un diodo a emissione luminosa o un LED si accendono quando sono polarizzati elettricamente in avanti. Questo effetto è una forma di elettroluminescenza.

Un LED è un tipo speciale di diodo a semiconduttore. I portatori di carica sono creati da una corrente elettrica che passa attraverso la giunzione pn e rilasciano energia sotto forma di fotoni mentre si ricombinano. La lunghezza d'onda della luce, e quindi il suo colore, è dettata dai materiali che formano la giunzione pn, che elementi drogano il materiale puro. Un diodo normale, emette luce invisibile all'infrarosso lontano, ma i materiali utilizzati per un LED hanno energie di larghezza di banda corrispondenti alla luce nel vicino infrarosso, visibile o quasi ultravioletto.



A differenza delle lampadine a incandescenza, che possono funzionare con AC o DC, i LED richiedono un'alimentazione DC con la polarità corretta. Quando la tensione attraverso la giunzione pn è nella direzione corretta, una corrente significativa scorre e si dice che il dispositivo è polarizzato in avanti. La tensione attraverso il LED in questo caso è fissa per un dato LED ed è proporzionale all'energia dei fotoni emessi. Se la tensione è di polarità errata, si dice che il dispositivo è polarizzato al contrario, scorre pochissima corrente e non viene emessa luce.

Il diodo a semiconduttore è racchiuso in una solida lente di plastica. A volte la plastica è colorata e puoi trovare i LED in quasi tutte le tonalità. A parte l'attuale valutazione sul tuo LED, le dimensioni e la forma della custodia in plastica determineranno come e quanto luce il LED è in grado di lanciare.



Passaggio 3: diodi Zener

I diodi Zener sono drogati con una maggiore concentrazione di impurità per dare loro uno strato di deplezione molto sottile. In uso sono polarizzati al contrario. Ciò significa che la corrente non può spostarsi attraverso un diodo zener fino al raggiungimento della tensione di rottura . In qualsiasi diodo, arriva un punto in cui, se viene applicata una tensione inversa sufficiente, la corrente inversa scorrerà dal catodo all'anodo. Gli elettroni strettamente legati nello strato di svuotamento vengono strappati via dai loro atomi e c'è un brusco aumento di corrente. Se si consente a questa corrente di accumulare un valore troppo alto, si può verificare un danno. Tuttavia, se la corrente inversa è limitata a un valore sicuro, il diodo non sarà danneggiato e una volta ridotta la tensione inversa il diodo smetterà di condurre nuovamente.

Scegli un diodo zener se hai bisogno di un interruttore sensibile alla tensione nel tuo circuito. L'interruzione di tensione disponibile varia da circa 2 volt a 200 volt.

Passaggio 4: diodi Schottky

A differenza di un diodo a giunzione PN, un diodo Schottky ha una giunzione metallo-semiconduttore (M – S) è un tipo di giunzione in cui un metallo entra in stretto contatto con un materiale semiconduttore. Sono diodi a semiconduttore con una bassa caduta di tensione diretta e un'azione di commutazione molto rapida.

Per la giunzione vengono utilizzati molibdeno, platino, cromo o tungsteno; e un semiconduttore un silicio di tipo N. Il lato metallico funge da anodo e il semiconduttore di tipo N funge da catodo. Questa è chiamata la barriera di Schottky. Ci sono vantaggi in termini di velocità perché i diodi Schottky non si basano su fori o elettroni che si ricombinano quando entrano nel tipo opposto di regione come nel caso di un diodo convenzionale. Questi tipi di diodi, in base alla progettazione, hanno una tensione di interruzione molto precisa e sono in grado di rispondere o commutare rapidamente grazie alla giunzione parzialmente metallica.

Quando la corrente scorre attraverso un diodo, si verifica una caduta di tensione molto piccola tra i terminali. Questa caduta di tensione inferiore favorisce una maggiore velocità di commutazione e una migliore efficienza del sistema. Riduce le perdite di potenza normalmente sostenute nel raddrizzatore e in altri diodi utilizzati all'interno dell'alimentatore. Con i diodi al silicio standard che offrono l'alternativa principale, la loro tensione di accensione è compresa tra 0, 6 e 0, 7 volt. Con i raddrizzatori a diodi Schottky con una tensione di accensione compresa tra circa 0, 2 e 0, 3 volt, si ottiene un notevole risparmio energetico.

Passaggio 5: circuito raddrizzatore

Un raddrizzatore è un dispositivo elettrico che converte corrente alternata (CA), che inverte periodicamente la direzione, in corrente continua (CC), che scorre in una sola direzione.

L'applicazione più popolare del diodo viene utilizzata per l'attuale rettifica . Ciò comporta un dispositivo che consente solo il flusso unidirezionale di elettroni. Questo è esattamente ciò che fa un diodo a semiconduttore.

Esiste un design chiamato raddrizzatore a ponte a onda intera, costruito attorno a una configurazione a ponte a quattro diodi. (vedi immagine) La corrente alternata viene immessa nella parte inferiore e superiore del raddrizzatore a ponte, che i diodi filtrano in corrente continua indirizzando la corrente verso i punti positivi e negativi corretti.

Questo circuito produce un'uscita CC da un ingresso CA e una protezione da inversione di polarità . Cioè, consente il normale funzionamento delle apparecchiature alimentate a corrente continua quando le batterie sono state installate all'indietro o quando i fili di una fonte di alimentazione CC sono stati invertiti e protegge il circuito dai danni causati dalla polarità inversa.

Passaggio 6: crea una griglia a LED!

Un modo davvero semplice per fare esperienza con i diodi è tramite circuiti a LED. Per creare una matrice LED, ho usato una batteria da 9 V, una breadboard, LED da 3 V e alcune resistenze da 1K.

Li ho collegati con il positivo a destra, spostandomi a terra a sinistra. Ho creato sei file distinte e due colonne di LED. Cablaggio in serie, va da V (+) al cavo positivo del LED, quindi a un altro LED, quindi a una resistenza da 1K. Dai un'occhiata allo schema in questo passaggio.

La corrente si sposta dall'anodo al catodo di ciascun LED e se uno qualsiasi dei terminali dei LED è invertito, non si illuminerà.

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