Caduta di tensione del diodo (spiegata per i principianti): cosa, perché, come

In questo articolo, discuteremo della caduta di tensione del diodo, perché è causata e come possiamo calcolarla. Un diodo è un dispositivo a semiconduttore che consente il flusso di corrente in una direzione e limita il flusso di corrente su un altro lato.

La caduta di tensione del diodo si riferisce fondamentalmente alla caduta di tensione di polarizzazione diretta. Si verifica in un diodo presente in un circuito elettrico quando la corrente lo attraversa. Questa caduta di tensione di polarizzazione diretta è il risultato dell'azione della regione di svuotamento formata dalla giunzione PN sotto l'effetto di una tensione applicata.

Cos'è la caduta di tensione del diodo?

La caduta di tensione del diodo è il risultato del flusso di corrente dall'anodo al catodo. Quando il diodo conduce in polarizzazione diretta, la caduta di potenziale attraverso di esso è nota come caduta di tensione del diodo o caduta di tensione diretta. 

Idealmente, non dovrebbe esserci alcuna caduta di tensione attraverso il diodo quando sta trasportando corrente e funziona per generare tensione di uscita CC. Nella vita reale, si verifica una piccola caduta di tensione a causa della resistenza diretta e della tensione di rottura diretta. Per il silicio, la caduta di tensione del diodo è di circa 0.7 Volt. 

Quanta tensione perde un diodo?

Qualsiasi diodo fa cadere una particolare quantità di tensione attraverso i suoi terminali. Una caduta di tensione del diodo di 0.7 V significa che la tensione attraverso il resistore o il carico presente nel circuito è (tensione di alimentazione – 0.7) volt.

La caduta di tensione tra i diversi diodi è diversa. In genere varia da 0.6 a 0.7 volt per un piccolo diodo al silicio. Per i diodi Schottky, il valore della caduta di tensione è 0.2 Volt. Per diodi luminosi o LED, la caduta di tensione varia da 1.4-4 Volt. I diodi al germanio hanno una caduta di tensione di 0.25-0.3 volt.

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Perché un diodo ha una caduta di tensione?

Il diodo, in polarizzazione diretta, seleziona un livello di tensione adeguato in modo da poter spingere le cariche elettroniche verso la giunzione PN. Si può dire analogo al "sollevare" ogni pallina fino in cima al tavolo dal pavimento.

La differenza di livello di energia richiesta per spostare le cariche elettroniche attraverso la giunzione PN provoca il caduta di tensione. Inoltre, c'è una certa resistenza nel diodo responsabile di una certa quantità di caduta di tensione. La caduta di tensione dovuta alla resistenza dipende dalla portata di corrente consentita alla giunzione PN.

Come calcolare la caduta di tensione del diodo?

Le cadute di tensione di diversi diodi sono diverse. Per un diodo al silicio è di circa 0.7 Volt, per un diodo al germanio è di 0.3 volt e per diodo Schottky è di circa 0.2 Volt. I LED hanno vari valori di caduta di tensione. 

Ora, se vogliamo calcolare la caduta di tensione su qualsiasi altro elemento del circuito, dobbiamo sottrarre la caduta di tensione dei diodi presenti tra quell'elemento e la sorgente dalla tensione della sorgente. Quindi la caduta di tensione di quell'elemento è (tensione sorgente - somma delle cadute di tensione del diodo).

Come far cadere la tensione usando il diodo?

I diodi Zener sono buoni per la caduta di tensione. Tuttavia, un metodo banale per ridurre la tensione utilizzando i diodi consiste nel collegare più diodi in serie con l'alimentazione. Ciascun diodo provoca una caduta di tensione di quasi 0.7 Volt.

I diodi consentono solo un flusso direzionale di elettricità, ma il diodo condurrà elettricità solo quando l'alimentazione tocca la soglia. La soglia standard del diodo al silicio è 0.6 volt. … Dopo che ciascun diodo è stato unito in serie, la tensione scende di 0.6 volt. Utilizzando questa tecnica, possiamo far cadere la tensione in un circuito usando diodi.

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Caduta di tensione del diodo Schottky

I diodi Schottky, caratterizzati da una giunzione metallo-semiconduttore, hanno tipicamente una V_f compresa tra 0.15 V e 0.45 V. Questo intervallo è dovuto alle variazioni del metallo utilizzato (ad esempio platino, cromo) e del tipo di semiconduttore (ad esempio silicio di tipo n). Il V_f inferiore risulta dall'assenza di iniezione di portatori minoritari, che è prevalente nei diodi a giunzione PN.

Applicazioni: Il loro basso V_f li rende ideali per applicazioni ad alta frequenza e raddrizzamento di potenza, dove l'efficienza energetica è fondamentale.

Caduta di tensione del diodo Zener

I diodi Zener sono progettati per funzionare con polarizzazione inversa, con una caduta di tensione stabile (V_z) che può variare da 2 V a oltre 200 V. Il V_z dipende dal livello di drogaggio; i diodi fortemente drogati hanno V_z inferiore. I diodi Zener seguono il meccanismo di rottura Zener fino a circa 5.6 V e oltre questo limite domina la rottura a valanga.

Applicazioni: Sono ampiamente utilizzati nella regolazione della tensione e nelle applicazioni di riferimento grazie alla loro capacità di mantenere una tensione costante su un ampio intervallo di corrente.

Caduta di tensione del diodo al germanio

I diodi al germanio, con un'energia di banda proibita di circa 0.66 eV, mostrano una V_f intorno a 0.3 V. Le loro prestazioni vengono influenzate a temperature più elevate a causa della maggiore concentrazione intrinseca dei portatori, che porta a correnti di dispersione più elevate rispetto ai diodi al silicio.

Applicazioni: Sebbene meno comuni, i diodi al germanio vengono utilizzati in applicazioni a bassa tensione e nel restauro di apparecchiature elettroniche vintage.

Caduta di tensione del diodo al silicio

I diodi al silicio, con un'energia di banda proibita di circa 1.1 eV, hanno una V_f di circa 0.7 V. Questo valore può variare leggermente con la concentrazione del drogaggio e la costruzione del diodo. I diodi al silicio mantengono le loro caratteristiche in un intervallo di temperature più ampio rispetto ai diodi al germanio.

Applicazioni: La loro affidabilità e stabilità li rendono adatti per un'ampia gamma di applicazioni, dalla rettifica di potenza all'elaborazione del segnale.

Diodi in serie Caduta di tensione

In una configurazione in serie, la caduta di tensione diretta totale è la somma cumulativa delle cadute dei singoli diodi. Ad esempio, tre diodi al silicio in serie a livelli di corrente identici avranno un V_f totale di circa 2.1 V. La corrente che passa attraverso ciascun diodo deve essere identica, poiché correnti diverse possono portare a cadute di tensione irregolari e al potenziale guasto del diodo.

Applicazioni: Le configurazioni di diodi in serie vengono utilizzate in applicazioni che richiedono cadute di tensione più elevate di quelle che un singolo diodo può fornire.

Diodi in caduta di tensione parallela

Nelle connessioni parallele, la caduta di tensione su ciascun diodo è uguale a quella di un singolo diodo. Tuttavia, la corrispondenza dei diodi è fondamentale poiché le differenze nelle caratteristiche V_f e I/V possono portare a una condivisione di corrente ineguale, sovraccaricando potenzialmente un diodo e sottoutilizzando gli altri.

applicazioni: Le configurazioni di diodi paralleli vengono utilizzate per aumentare la capacità di gestione della corrente mantenendo una caduta di tensione specifica.

FAQ

Come ridurre la tensione con il diodo zener?

Il diodo zener è un caso speciale di diodi che consente alla corrente di fluire inversamente a una certa tensione, nota come tensione zener. Può anche ridurre il contrario tensione e funziona come un efficiente regolatore di tensione.

Per utilizzare un diodo zener per ridurre la tensione, dobbiamo collegarlo in parallelo con il carico nel circuito. La tensione di alimentazione deve essere superiore alla tensione zener e il diodo deve essere in polarizzazione inversa. Questa connessione aiuta a ridurre la tensione inversa a un valore specifico e funge da regolatore di tensione.

Formula di caduta di tensione del diodo

Per semplicità, la caduta di tensione diretta attraverso un diodo è assunta come 0.7 V. Ora, se c'è un solo diodo in un circuito insieme a un carico, la caduta di tensione attraverso il carico è (tensione di alimentazione – 0.7) Volt. 

In caso di più diodi in serie in un circuito, la caduta di tensione attraverso il carico è (tensione di alimentazione – il numero di diodi * 0.7). Ad esempio, nell'immagine 1, la caduta di tensione attraverso il diodo D1= (5-0.7) = 4.3 V. La caduta di tensione attraverso il diodo D2= (5-2 * 0.7) = 3.6 V. La caduta di tensione attraverso il diodo D3 = (5- 3 * 0.7) = 2.9 V. 

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Diagramma di caduta di tensione del diodo

La tabella seguente mostra i limiti di caduta di tensione di diversi tipi di diodi.

Caduta di tensione del diodo rispetto alla temperatura

I diodi al silicio hanno un coefficiente di temperatura negativo di circa -2 mV/°C. Questa diminuzione della caduta di tensione con l'aumento della temperatura è dovuta alla maggiore mobilità del portatore. I diodi Schottky, con un'altezza di barriera inferiore, presentano un coefficiente di temperatura inferiore, tipicamente intorno a -1 mV/°C.

Approfondimento sull'applicazione: Questa proprietà è significativa nelle applicazioni sensibili alla temperatura, dove i diodi possono agire come sensori di temperatura o compensatori nei circuiti.

Caduta di tensione del diodo rispetto alla corrente

I caduta di tensione attraverso un diodo aumenta con la corrente in modo non lineare. Ma poiché la resistenza differenziale è minore, l'aumento è molto lento. Possiamo considerare le caratteristiche della tensione diretta rispetto alla corrente. 

Nei diodi al silicio, quando la corrente aumenta da 1 mA a 1 A, V_f (caduta di tensione diretta) varia tipicamente da 0.7 V a 0.8 V a causa dell'aumento del flusso di elettroni. I diodi al germanio mostrano un aumento V_f da 0.3 V a 0.4 V in condizioni simili. L'equazione di Shockley descrive in dettaglio la relazione: V_f = nV_t ln(I/I_s + 1). Qui, n (fattore di idealità) varia da 1 (diodo ideale) a 2 (condizioni reali), V_t (tensione termica) è di circa 26 mV a temperatura ambiente e I_s (corrente di saturazione) è nell'ordine dei nanoampere.

Dalla curva IV, possiamo vedere che un grande aumento della corrente produce inizialmente un aumento trascurabile della tensione. Quindi più rapidamente la tensione sale e alla fine aumenta molto rapidamente. La curva IV mostra una crescita esponenziale della tensione con la corrente. Quando Vd incrocia 0.6/0.7 V, sale rapidamente.

Quando la tensione cade su un diodo a giunzione PN?

Quando la corrente passa attraverso qualsiasi componente presente in un circuito, si verifica una caduta di tensione. Allo stesso modo, quando la corrente passa attraverso il diodo in polarizzazione diretta, allora c'è a caduta di tensione, noto come caduta di tensione diretta.

Il diodo a giunzione pn non può inviare la corrente dalla giunzione nella polarizzazione inversa per una resistenza molto elevata. La giunzione pn si comporta come un circuito aperto, quindi la caduta di tensione attraverso quel diodo di giunzione pn ideale rimane la stessa. È uguale alla tensione della batteria.

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Caduta di tensione del MOSFET collegato a diodo

Un MOSFET collegato a diodo, con gate e source in cortocircuito, presenta una caduta di tensione pari alla sua tensione di soglia (V_th), tipicamente compresa tra 0.7 V e 1 V. Questo calo è maggiore a causa dei requisiti V_gs (tensione gate-to-source) del MOSFET. Il V_th specifico dipende dal tipo e dalla costruzione del MOSFET, con variazioni osservate nei diversi nodi tecnologici.

applicazioni: I MOSFET collegati a diodo vengono utilizzati nei circuiti analogici come riferimenti di tensione e nei circuiti digitali per lo spostamento del livello logico, beneficiando dell'elevata impedenza di ingresso del MOSFET e della caduta di tensione controllata.

Kaushikee Banerjee

Ciao……Sono Kaushikee Banerjee e ho completato il mio master in Elettronica e Comunicazioni. Sono un appassionato di elettronica e attualmente mi dedico al campo dell'elettronica e delle comunicazioni. Il mio interesse risiede nell’esplorazione di tecnologie all’avanguardia. Sono uno studente entusiasta e armeggio con l'elettronica open source.