Diodo (Guida Pratica)

Il diodo è un componente elettrico passivo a due terminali che permette il flusso di corrente in una unica direzione. E’ un componente molto utilizzato in elettronica soprattutto con funzione di protezione di parti di circuiti. Esistono di vari tipologie per svariate applicazioni. Anche i diodi hanno avuto una evoluzione tecnologica che ha portato allo sviluppo di componenti diversi quali il triac ed il tiristore. In questo articolo potrai trovare una guida pratica che ti può essere utile nel capirne il funzionamento e come fare una scelta consapevole sul tipo di diodo da utilizzare nel tuo progetto o nel tuo lavoro.

Cos’è il diodo

Il diodo è un componente passivo, non lineare e polarizzato che, quando attivato, conduce corrente in una unica direzione agendo come un interruttore a senso unico.

Il diodo è un componente elettronico passivo, ovvero non richiede l’applicazione di un segnale di alimentazione oltre quello di ingresso. Il diodo è inoltre un componente non lineare, ciò significa che una variazione di tensione al suo ingresso non porta ad una variazione proporzionale di corrente. Il diodo presenta due terminali, detti elettrodi, che ne indicano la polarizzazione e sono l’anodo (ovvero il terminale positivo) e catodo (il terminale negativo). Quando sull’anodo è presente una tensione positiva che corrisponde alle caratteristiche di ampiezza del diodo, allora scorre corrente dall’anodo al catodo.

Come funziona un diodo?

Il funzionamento del diodo, idealmente, è paragonato a quello di una valvola idraulica di non ritorno, ovvero una valvola unidirezionale. Qualora venga applicata una certa tensione al catodo, e questa tensione ha le caratteristiche di ampiezza e polarità richieste, il diodo si comporta come un corto circuito permettendo il flusso di corrente dal polo positivo a quello negativo cioè dal catodo all’anodo.

Il funzionamento del diodo è tale che, se la tensione tra anodo e catodo è superiore al valore della tensione di soglia del diodo, allora il diodo conduce la corrente nella direzione della polarizzazione. In questo caso, se paragoniamo il diodo ad un interruttore, possiamo dire che, quando è applicata all’ingresso una tensione almeno pari a quella di soglia, l’interruttore si chiude. Se, quando il diodo è in conduzione, cioè ha al suo ingresso una tensione almeno pari a quella di soglia e quindi è attivo e conduce corrente, andiamo ad aumentare la tensione in ingresso, i valori di corrente in uscita non cambieranno. Se invece sul diodo è presente una tensione inferiore a quella di soglia, il diodo si comporta come un interruttore aperto e quindi non conduce. Quando la corrente scorre dall’anodo al catodo, si dice che il diodo è in polarizzazione diretta. Quando la tensione ai capi del diodo esprime una differenza di potenziale negativa, allora si dice che il diodo è in polarizzazione inversa.

Questa caratteristica di funzionamento, nei diodi attuali, è realizzata tramite la cosiddetta giunzione p-n che si ottiene affiancando un semiconduttore drogato positivamente ad un semiconduttore drogato negativamente. In un diodo a giunzione p-n, quando in ingresso è presente una tensione superiore a quella di soglia, si ha un movimento di elettroni da una regione all’altra del semiconduttore che genera quindi un campo elettrico. Questo, semplificando, porta a due effetti. Da una parte, rende l’intero semiconduttore conduttivo, permettendo al diodo di agire come un interruttore chiuso, ed allo stesso tempo limita il flusso di corrente a valori pressoché costanti che dipendono dalle caratteristiche del semiconduttore. Quando invece, la tensione in ingresso è al di sotto dei valori di soglia, gli elettroni non hanno abbastanza energia per attraversare la barriera tra la parte drogata p e la parte drogata n del semiconduttore e quindi il diodo non conduce e si comporta come un interruttore aperto. Semiconduttore tipici in queste applicazioni sono il silicio ed il germanio.

A cosa serve il diodo?

Tutte le applicazioni di un diodo sfruttano le capacità di funzionamento dello stesso ovvero di comportarsi come un corto circuito solo per determinate caratteristiche della tensione in ingresso. Le applicazioni più frequenti sono quelle in cui si ha l’esigenza in un circuito di limitare i valori di corrente a valle del diodo oppure di avere una tensione in uscita con delle caratteristiche diverse da quelle in ingresso al componente. Di seguito sono presentate le principali applicazioni di un diodo.

Diodo raddrizzatore

Il diodo è spesso utilizzato come raddrizzatore di tensione. Per circuito raddrizzatore si intende un circuito che, quando all’ingresso è applicato un segnale alternato (come quello sinusoidale della tensione AC), in uscita fornisce un segnale unidirezionale, ovvero, sempre positivo (o sempre negativo a seconda dai casi).

Circuito raddrizzatore a semionda

Se poniamo un diodo in serie ad un circuito che ha come tensione di ingresso una tensione alternata sinusoidale, in uscita avremo una tensione con valori positivi o nulli. Per capire meglio questo aspetto osserviamo la figura seguente.

Nel circuito a sinistra abbiamo un diodo ed una resistenza. La resistenza rappresenta l’equivalente del carico resistivo del circuito a valle del diodo. Questo tipo di circuito è denominato circuito raddrizzatore a semionda. Quando una tensione alternata arriva in ingresso al diodo, questo, al superamento della tensione di soglia si attiva e permette il passaggio della tensione finché la tensione non arriva a valori al di sotto della soglia e quindi il diodo smette di condurre e si comporta come un “aperto”. Dalla figura a destra si può notare come la tensione in uscita al diodo cioè quella sulla resistenza “segue” quella in ingresso ma con un leggero ritardo quando la tensione in ingresso cresce e con un leggero anticipo quando la tensione in ingresso diminuisce e questo effetto è dovuto al fatto che l’attivazione e disattivazione del diodo è legata al raggiungimento di un determinato valore di soglia che dipende dalle caratteristiche costruttive del diodo. Quando la tensione in ingresso è al di sotto della soglia oppure negativa, il diodo non conduce e quindi la tensione in uscita è nulla. Si noti che nel grafico che mostra l’andamento della tensione, la tensione in uscita dal diodo è leggermente inferiore rispetto a quella in ingresso. Questo è un aspetto tipico dei diodi a giunzioni p-n che sono caratterizzati dall’introdurre una piccola caduta di tensione.

Circuito raddrizzatore con filtro capacitivo

Un’altra configurazione tipica del circuito raddrizzatore è quella che prevede la presenza di un condensatore verso terra. Vediamo la schematizzazione seguente.

Nell’immagine di sinistra vediamo la rappresentazione del circuito chiamato raddrizzatore con filtro capacitivo. Il condensatore è posto in parallelo al carico resistivo del circuito a valle del diodo e che è rappresentato dalla resistenza. Quando la tensione sinusoidale in ingresso al diodo supera il valore di soglia, il diodo entra in conduzione e, contemporaneamente permette la carica del condensatore. Quando la tensione in ingresso diminuisce sino ad arrivare sotto soglia, il circuito a valle è alimentato dal condensatore finché questo non si scarica completamente. Perché questa configurazione sia utile è necessario che il condensatore abbia caratteristiche tali da scaricarsi più lentamente del tempo di discesa del segnale in ingresso. Quanto più lento è il condensatore a scaricarsi tanta minore sarà la caduta di tensione fino alla prossima semionda del segnale in ingresso. In generale, una certa caduta di tensione, entro piccoli valori è tollerabile ma, se è necessario ridurla, è sufficiente aumentare il valore del condensatore. Quello che si ottiene utilizzando un circuito raddrizzatore con filtro capacitivo è la possibilità di alimentare un circuito in continua utilizzando un segnale in alternata.

Ponte di Graetz

Il ponte di diodi, detto anche ponte di Graetz, serve a fornire in uscita una tensione positiva a doppia semionda ovvero con frequenza doppia rispetto al segnale in ingresso.

Vediamo di seguito la rappresentazione circuitale e l’andamento della tensione in uscita.

Il comportamento del ponte di Graetz è tale che, quando applichiamo un segnale alternato in ingresso, per ogni valore della sinusoide vi è sempre una coppia di diodi in conduzione che forniscono in uscita valori positivi del segnale in ingresso. Si noti infatti che le due coppie di diodi sono polarizzati in maniera opposta gli uni agli altri. Durante la semionda positiva del segnale di ingresso i diodi polarizzati positivamente entrano in conduzione e forniscono in uscita una semionda positiva che insegue quella in ingresso mentre l’altra coppia di diodi è interdetta. Invece, durante la semionda negativa del segnale di ingresso, solo i diodi in polarizzazione inversa sono in conduzione e forniscono in uscita una semionda positiva in uscita. Il risultato è un segnale a doppia semionda solo positiva. Si noti che la frequenza del segnale in uscita è doppia di quella del segnale in ingresso.

Diodo per dissipazione carichi induttivi (diodo snubber / flyback)

In particolari configurazioni, il diodo è posto in parallelo ad un carico induttivo. Questa configurazione è utile per proteggere un circuito da eventuali picchi di tensione che si possono verificarsi quando viene disattivato un carico induttivo importante come può essere la bobina di un relè oppure un motore. Una rappresentazione tipica è quella mostrata nella figura seguente.

Immaginiamo il caso tipico in cui il nostro circuito abbia un motore. Questo motore può essere rappresentato da una impedenza che ha una componente induttiva ed una componente resistiva. Quando si disattiva rapidamente il motore, ad esempio togliendo l’alimentazione che lo comanda, per effetto della parte induttiva che cerca di sostenere la corrente che lo attraversa, si creano dei picchi di tensione tali da poter danneggiare i circuiti di comando se non adeguatamente protetti. In questi casi interviene il diodo posto in parallelo al carico induttivo e con polarizzazione inversa rispetto al carico (detta configurazione del diodo in antiparallelo). Quando il carico induttivo è alimentato, il diodo non è attivo e quindi agisce come un circuito aperto. Quando il carico induttivo è disalimentato, il diodo entra in conduzione scaricando il picco di corrente sulla resistenza. Da notare che la resistenza rappresenta la somma delle componenti resistive parassite del carico induttivo, in questo esempio del motore.

Diodo di bypass

Una applicazione tipica del diodo nell’ambito delle installazioni fotovoltaiche è il cosiddetto diodo di bypass. Il diodo di bypass serve a proteggere i moduli fotovoltaici reindirizzando la corrente che potrebbe fluire quando il livello di tensione di un sotto-modulo è negativo. In questo caso il diodo è posto in antiparallelo al modulo cioè quando il modulo è attivo, il diodo non conduce. Nella figura seguente vediamo una semplificazione dello schema di configurazione.

Questa configurazione serve a proteggere i moduli fotovoltaici funzionanti dai danni che potrebbero verificarsi a causa di sovracorrenti generate da altri moduli fotovoltaici che sono guasti oppure parzialmente o totalmente coperti dall’esposizione solare.

Simbolo grafico del diodo

I principali simboli grafici utilizzati per indicare il diodo negli schemi elettrici, in base alla norma EN 60617 sono i seguenti.

Tipo di resistore	IEC 60617
Diodo a semiconduttore (simbolo generico)
Diodo ad emissione di luce (LED)
Diodo sensibile alla temperatura
Diodo varicap (varactor)
Diodo tunnel (Esaki)
Diodo Zener
Effetto Schottky

Da notare che la norma IEC 60617 non identifica esplicitamente il diodo Schottky, il cui simbolo si ottiene dalla combinazione del simbolo del diodo generico combinato con il simbolo relativo all’effetto Schottky e che risulta essere come mostrato di seguito.

Tipi di diodo

Di seguito sono presentate i principali tipi di diodi a semiconduttore attualmente più diffusi.

Diodo ad emissione di luce (Diodo LED)

I diodi led, probabilmente tra i più famosi, sono dei diodi emettono luce quando sono in conduzione. Il funzionamento è quello classico del diodo a semiconduttore, ovvero quando la tensione in ingresso supera quella di soglia allora il diodo conduce ma la caratteristica del LED è che quando in conduzione emette luce ovvero rilascia energia sotto forma di fotoni. I LED sono, a livello funzionale, del tutto simili ai classici diodi a giunzione p-n. La particolarità costruttiva dei diodi LED è che sono realizzati tramite un sottile strato di materiale semiconduttore pesantemente drogato. A seconda del materiale utilizzato e dal livello di drogaggio, quando il LED è attraversato da una corrente nella direzione di conduzione, esso emette una luce ad una lunghezza d’onda che dipende dal materiale. Tipicamente si utilizzano leghe di alluminio per i LED di colore rosso, arancione o giallo mentre si utilizzano leghe di indio per i LED di colore verde, blu o bianco. I diversi colori corrispondono a diverse lunghezze d’onda della radiazione luminosa che può arrivare dallo spettro del visibile, emettendo quindi i colori che vediamo, fino ad anche l’infrarosso. Sono caratterizzati dall’avere bassi consumi ed essere abbastanza duraturi. Classiche applicazioni sono quelle come indicatori oppure all’interno di display a 7 segmenti ma anche nei classici telecomandi.

Diodo Zener

I diodi Zener sono diodi a semiconduttore realizzati tramite giunzione p-n pesantemente drogata e caratterizzati dal poter funzionare in regione di polarizzazione diretta ma anche in regione di polarizzazione inversa. Quando lavorano in regione inversa hanno un particolare comportamento ovvero, quando la tensione in ingresso raggiunge un determinato valore, denominato tensione di Zener, in uscita dal diodo si avrà una tensione pressoché costante. La tensione di Zener dipende dalle caratteristiche costruttive del diodo ed è anche funzione della temperatura di lavoro. Questa modalità di funzionamento è molto utilizzata in applicazione dove occorre avere un regolatore di tensione che sia stabile, oppure dei componenti che forniscano un valore di tensione che possa essere utilizzato da altri componenti come riferimento oppure può essere utile per la soppressione di picchi di tensione impulsivi (tensioni molto alte che si presentano in breve tempo, come quelle dei fulmini).

Diodo Schottky

I diodi Schottky sono simili ai diodi a giunzione p-n ma, al posto della regione di semiconduttore di tipo p, presentano un metallo, tipicamente alluminio oppure platino. Questa caratteristica dei diodi Schottky permette di avere una caduta di tensione molto più contenuta rispetto ai classici diodi p-n. Come conseguenza, questi diodi permettono di fornire una buona efficienza e di essere adatti a lavorare a frequenze molto alte poiché garantiscono elevate velocità di commutazione.

Diodo Varicap

Il diodo varicap, detto anche diodo varactor, è un tipo di diodo a giunzione p-n che lavora in polarizzazione inversa. A livello costruttivo è simile al diodo p-n ma le regioni di semiconduttore sono drogate in maniera tale da rendere importante l’azione del diodo come un condensatore variabile. Quando lavora in polarizzazione inversa, il diodo varicap, si comporta come un condensatore il cui valore di capacità è proporzionale alla tensione in ingresso. In particolare il varicap rappresenta un valore di capacità che è inversamente proporzionale alla radice della tensione in ingresso. Questa caratteristica dei varicap di agire come condensatori controllati in tensione li rende adatti ad applicazioni tra cui amplificatori parametrici, oscillatori controllati in tensione e, molto spesso, li troviamo nei circuiti di progetti che includono la radio frequenza.

Diodo tunnel

Il diodo tunnel, detto anche diodo Esaki, è un tipo di diodo in cui la giunzione p-n è pesantemente drogata con impurità. Questa caratteristica costruttiva permette di sfruttare l’effetto tunneling in base al quale all’aumentare della tensione in ingresso si sviluppa una resistenza negativa. In conseguenza di questo effetto, all’aumentare della tensione in ingresso, diminuisce la corrente in uscita. Questo tipo di diodo trova applicazione in tutte quei casi in cui si lavora con alte velocità di commutazione dei segnali come negli amplificatori oppure negli oscillatori.

Parametri del diodo

Sulla base della tipologia di diodo che si utilizza, è importante selezionare quello con i parametri tali da permetterci di ottenere le prestazioni attese. Vediamo di seguito i principali parametri che possiamo trovare nel datasheet di un diodo e che ci aiutano ad effettuare una scelta consapevole nella selezione di un diodo. Tutti i parametri hanno una certa dipendenza dalla temperatura, per questo nelle schede dati si trova un riferimento alla temperatura ambientale o temperatura di lavoro di 25°C.

Corrente diretta media (I_F(AV))

La corrente diretta media (forward current) indica il massimo valore di corrente che in media il diodo può condurre quando è in conduzione diretta. E’ un parametro fondamentale nella scelta di un diodo in quanto, in maniera indiretta, ci da una informazione importante sul livello di calore che la giunzione p-n è in grado di sostenere.

Corrente diretta di picco (I_FSM)

In maniera del tutto analoga alla corrente diretta media è possibile trovare nei datasheet anche il picco di corrente diretta che il diodo è in grado di sostenere quando in conduzione diretta e viene indicato con il simbolo I_FSM. Questo valore fa riferimento al livello di corrente impulsiva ovvero una corrente con un valore molto alto ma di breve durata, tipicamente pochi millisecondi. Questo parametro ci da una indicazione di quanto il diodo sia in grado di sostenere eventuali disturbi che possono presentarsi sulla linea di alimentazione.

Corrente inversa (I_R)

La corrente inversa (reverse current) è la massimo livello di corrente che può attraversare il diodo quando è attraversato dalla massima tensione inversa e viene indicata con il simbolo I_R. Questo parametro ci da una misura di quanto il diodo sia buono a livello costruttivo. Nella realtà infatti il diodo permette il passaggio di corrente nel verso opposto, tuttavia i livelli di corrente sono molto bassi se confrontati con quelli che si possono avere in conduzione diretta. Questo parametro è utile nel caso utilizziamo il diodo per proteggere dei componenti posti a monte, che potrebbero essere sensibili a tali correnti.

Tensione diretta (V_F)

La tensione diretta è il minimo valore di tensione che, se applicato al diodo in polarizzazione diretta, permette ad esso di condurre.

Tensione inversa (V_R)

La tensione inversa viene indicata con il simbolo V_R ed è il massimo valore di tensione continua che il diodo, quando in polarizzazione inversa, è in grado di sostenere. Tale parametro alle volte è anche indicato con il simbolo V_DC.

Tensione inversa ripetitiva (V_RRM)

La tensione inversa ripetitiva indica il massimo valore di tensione che il diodo, se in polarizzazione inversa, è in grado di sostenere quando sottoposto ad impulsi ripetitivi.

Temperatura della giunzione (T_J)

La temperatura della giunzione indica il valore massimo di temperatura espresso in gradi cui il diodo è in grado di lavorare correttamente. La miniaturizzazione dei componenti ha trovato un limite nella capacità del componente stesso di dissipare il calore. E’ fondamentale fare operare il diodo ad una temperatura lontana da quella di giunzione in maniera tale da preservarne il funzionamento e prolungarne la vita utile.