Circuiti con diodo - prima parte (9)

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 Si illustrano in questo articolo alcune applicazioni fondamentali del diodo a giunzione pn: raddrizzatore a singola semionda, circuito limitatore, circuito limitatore positivo e circuito limitatore negativo.

Raddrizzatore a singola semionda

Il circuito è realizzato tramite la composizione in serie di un diodo e di una resistenza (figura 1). La tensione in ingresso viene fornita da un generatore e la tensione di uscita viene misurata sulla resistenza.
L'analisi viene fatta a partire dal modello a soglia: 
Figura 1: raddrizzatore a singola semionda
  • Diodo OFF: se la tensione sul diodo VD = Vi < Vγ allora non vi è corrente che circola. ID = IU = 0 e di conseguenza Vu = RID = 0;
  • la tensione in ingresso è tale da poter considerare VD = Vγ. La corrente che circola è calcolabile come I = Vu/R = (Vi-Vγ)/R
Il grafico in figura 2 mostra l'andamento della tensione di uscita al variare della tensione di ingresso. Questo tipo di simulazione si definisce DC-sweep. Approssimativamente al valore Vi = Vγ il diodo va in conduzione.
Figura 2: Caratteristica Vu = f(Vi) del circuito raddrizzatore.

Utilizzando questo circuito in corrente alternata (AC), si pone che l'ingresso sia un generatore di tensione alternata da 5 V e frequenza 50 Hz. Per mezzo di un'analisi del circuito nel tempo (tran), si osserva che l'onda di tensione in uscita riflette solo le semionde positive della tensione in ingresso (figura 3). Attenendosi alle relazioni precedentemente trovate, infatti, il diodo passa in conduzione quando raggiunge la soglia, e l'uscita, in funzione del tempo, è descrivibile come:

Figura 3: Andamento della Vu(t) nel tempo in verde. Vi(t) in rosso.

Come si evince dalla figura, l'ampiezza dell'onda in uscita è minore di quella in ingresso. Per tensioni più alte, la caduta di potenziale sul diodo è ininfluente.

Circuito limitatore

Il circuito è costituito sempre dalla serie tra un diodo e una resistenza, ma la tensione in uscita viene osservata sul diodo. L'uscita viene limitata alla tensione del diodo.
Figura 4: Circuito limitatore.
  • il diodo è spento se Vu < Vγ. Significa che la corrente che circola è nulla I = 0 e la tensione in uscita Vu = Vi ;
  • il diodo è acceso quando la corrente circolante è positiva. Se dunque Vu = Vγ, la corrente ha valore I = (Vi -Vγ)/R ed è maggiore di zero. 
Il grafico in figura 5 mostra l'andamento dell'uscita in funzione dell'ingresso.
Figura 5: Caratteristica Vu(Vi) del circuito limitatore.

Facendo un'analisi temporale del circuito, si pone in ingresso un generatore di tensione sinusoidale. Come mostrato nell'analisi della tensione in uscita, essa sarà identica alla Vi fino a quando la stessa Vi è minore di Vγ. Quando la Vi è maggiore o uguale alla Vγ, allora l'uscita si stabilizza al medesimo valore. Le due onde sono mostrate in figura 6.
Figura 6: ingresso (verde) e uscita (blu) di un limitatore con input sinusoidale.


Circuito limitatore positivo

Se si volesse modificare la soglia, ossia la tensione a cui è limitata l'uscita, è possibile inserire una batteria in serie al diodo con tensione E in modo che risulti, quando il diodo è acceso, Vu = Vγ + E. Il nuovo circuito prende il nome di circuito limitatore positivo ed è illustrato in figura 7.
Figura 7: circuito limitatore positivo.

La caratteristica è identica a quella precedente, ma differisce per il fatto che Vu = Vi se Vi < Vγ + E se il diodo OFF (I = (Vi-Vu)/R = 0) e Vu = Vγ + E se il diodo è ON (figura 8).
Figura 8: caratteristica Vu(Vi) del circuito limitatore positivo con E = 1 V.

La simulazione nel tempo, fatta con un generatore sinusoidale in ingresso, mostra gli effetti di questo circuito su una sinusoide pura. Mostrato in figura 9:
Figura 9: simulazione tran del limitatore positivo. Vu in blu e Vi in fucsia. 

L'uscita è pari all'ingresso per i valori di tensione in ingresso inferiori alla soglia, Vi < Vγ + E. Quando il diodo è acceso, allora Vu si stabilizza al valore di soglia Vγ + E.
 

Circuito limitatore negativo

Si può anche creare un circuito che faccia il medesimo lavoro, ma al contrario, ossia blocchi tensioni inferiori a -(Vγ + E) e lascia passare ogni tensione di valore maggiore. Il circuito si definisce circuito limitatore negativo. Per fare ciò, occorre solo invertire le polarità del diodo e della batteria (figura 10). 
Figura 10: Circuito limitatore negativo.
  • se il diodo D è spento, la corrente è nulla I = 0 -> (Vi-Vu)/R = 0 e la tensione in uscita vale Vu = Vi;
  • se il diodo D è acceso, vale Vu = -(Vγ + E).
La caratteristica tensione in uscita - tensione in ingresso di questo circuito è rappresentata in figura 11:
Figura 11: Caratteristica DC Vu(Vi) del circuito limitatore negativo (E = 1 V).

Facendo ancora un'analisi temporale, inserendo un generatore di tensione sinusoidale in ingresso, si ottengono le forme d'onda di figura 12:
Figura 12: analisi tran del limitatore negativo. Vi in verde e Vu in blu.
Come provato nell'analisi DC, quando la tensione in ingresso è maggiore della soglia  -(Vγ + E), viene riprodotta identica in uscita. Viceversa, l'uscita è pari a -(Vγ + E) per tensioni in ingresso inferiori o uguali al suddetto valore.


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