Corso base di Elettronica

I TUBI A VUOTO (IL DIODO A VUOTO)

I primi componenti elettronici ad essere utilizzati sono stati i tubi a vuoto (diodi, triodi, ecc.); nonostante oggi non siano più usati, poiché sostituiti da elementi a semiconduttore, ritengo interessante, da un punto di vista didattico, fornire un accenno al loro funzionamento. Come si sa, nei materiali solidi gli atomi e le molecole oscillano attorno alla loro posizione di equilibrio, in dipendenza della loro temperatura (solo allo zero assoluto tali oscillazioni cesserebbero): maggiore è la temperatura, tanto più frequenti sono le oscillazioni termiche. In certi materiali, per effetto della maggiore energia termicamente acquisita, vengono liberati elettroni. Questo fenomeno viene chiamato "effetto termoionico". Riscaldando un pezzo di metallo, detto "catodo", posto all'interno di un'ampolla di vetro in cui è stato fatto il vuoto, verranno espulsi

elettroni dal metallo. Di conseguenza il pezzo di metallo si carica positivamente, per cui attira gli elettroni e li riprende a sé. Essendo emessi di continuo nuovi elettroni, al di fuori del metallo esiste sempre un gran numero di elettroni, che formano una "nube" di carica spaziale intorno al metallo. Gli elettroni della nuvola di carica spaziale possono essere utilizzati per vari scopi. L'involucro di vetro che contiene il catodo viene provvisto di un secondo elettrodo metallico, detto "anodo". Quindi un diodo a vuoto è formato da un cilindro di vetro con i due elettrodi. Dando all'anodo una tensione positiva rispetto al catodo, l'anodo richiama gli elettroni carichi negativamente: attraverso il diodo scorre una certa corrente. Invertendo la polarizzazione della tensione, dando cioè all'anodo una tensione negativa rispetto al catodo, nel diodo non scorre alcuna corrente perché l'anodo negativo respinge gli elettroni:

Il diodo è "interdetto". Il fatto che il diodo a vuoto consenta il passaggio della corrente nel circuito anodico in un solo verso giustifica il nome di "valvole a vuoto", dato a questi componenti, per analogia con le valvole idrauliche, che fanno passare l'acqua in un solo verso. Il diodo a vuoto a due elettrodi, oggi sostituito dal diodo a semiconduttore, viene impiegato nella "rettificazione" della corrente elettrica (che vedremo in seguito).

IL TRIODO

Il triodo a vuoto è il precursore del transistor a semiconduttore. Interponendo un terzo elettrodo tra l'anodo e il catodo di un diodo a vuoto si va a "modulare" l'emissione di elettroni dal catodo; non dovendo ostacolare il passaggio di elettroni tra il catodo e l'anodo, il nuovo elettrodo avrà una struttura "a maglie", per questo motivo viene chiamato "griglia". Polarizzando positivamente la griglia, questa attrae un maggior numero

di attraversare la griglia, riducendo così la corrente anodica. Questo fenomeno è molto interessante perché consente di controllare la corrente anodica agendo sul potenziale di griglia, mantenendo costante il potenziale anodico. Tuttavia, è importante sottolineare che la corrente anodica non può aumentare all'infinito: a un certo punto, anche aumentando la tensione sulla griglia, la corrente non aumenterà ulteriormente. Questo stato viene definito "stato di saturazione" del triodo. Al contrario, aumentando il potenziale negativo della griglia, si otterrà l'effetto di respingere gli elettroni che cercano di attraversare la griglia.vuoto è un dispositivo elettronico che permette il passaggio di corrente solo in una direzione. Quando la tensione applicata al diodo è inferiore alla tensione di soglia, il diodo è in "interdizione" e non permette il passaggio di corrente. Per quanto riguarda il triodo, quando la tensione applicata alla griglia è inferiore alla tensione di soglia, la corrente anodica cessa e il triodo è in "interdizione". La regolazione della corrente avviene non più sulla tensione anodica, ma sul potenziale di griglia. Pertanto, per tener conto dei diversi valori di tensione anodica, è necessario costruire più curve caratteristiche, una per ogni valore considerato. A differenza del diodo a vuoto, il triodo presenta una "famiglia di curve" caratteristiche su un grafico, chiamato "mutua caratteristica" del triodo. Questo perché per piccole variazioni del potenziale di griglia si ottengono grandi variazioni della corrente anodica. Questa caratteristica è chiamata "effetto amplificatore" della valvola contro elettrodi. IL DIODO A

GIUNZIONE----------------------------

Svolgiamo alcune considerazioni sul drogaggio dei semiconduttori e sulla giunzione P-N: sono proprio le caratteristiche di tale giunzione P-N ad essere sfruttate nei diodi a semiconduttore (composti, per l'appunto, da una zona di tipo P e da una zona di tipo N poste all'interno di un "package"). Quando la giunzione P-N è polarizzata direttamente, cioè quando la tensione esterna ha il morsetto positivo collegato alla zona P (anodo), il diodo possiede una resistenza molto bassa e quindi consente il passaggio di corrente; quando, viceversa, la giunzione P-N è polarizzata inversamente, cioè quando la zona P è collegata al polo negativo della batteria, il diodo presenta una resistenza molto alta e quindi impedisce il passaggio di corrente (si dice che il diodo è "interdetto"). Questo comportamento ha implicazioni di notevole importanza, si tratta del comportamento tipico di un raddrizzatore.

A cristallo: il diodo a giunzione è paragonabile ad una valvola di non ritorno, in cui la corrente (fluida, nel caso di una valvola idraulica) scorre in una sola direzione e viene bloccata nell'altra. La precisa dipendenza tra la corrente e la tensione in un diodo a semiconduttore viene descritta dalla caratteristica volt-amperometrica, in cui in ascisse viene riportata la tensione V e in ordinate la corrente I. In polarizzazione diretta, la corrente inizia a circolare quando la tensione applicata al diodo supera un certo valore, detto "di soglia", che nel caso dei diodi al Silicio è di circa 0.6V. In polarizzazione inversa circola una corrente molto piccola, che non dipende da V ma soltanto dalla temperatura. Voglio precisare che il diodo non deve essere sovraccaricato: i valori di massima corrente diretta e di massima tensione inversa vengono forniti dal produttore e non possono essere oltrepassati. Se si supera la massima tensione inversa (tensione di "breakdown",

Ossia di rottura), stabilita dal costruttore, è possibile che si verifichino rotture impreviste dei legami covalenti che possono portare al danneggiamento irreversibile del diodo. La rottura dei legami covalenti può avvenire sia per effetto del calore che per effetto "Zener" (sull'effetto Zener non mi soffermerò, al momento). La curva caratteristica V-I di un diodo, contrariamente a quella di un resistore, non è lineare, cioè il legame tra la tensione e la corrente è un legame di tipo non lineare (il diodo non segue la legge di Ohm). All'atto pratico viene utilizzato un procedimento di "linearizzazione" delle caratteristiche del diodo, che si sviluppa attraverso alcuni modelli circuitali "equivalenti" il cui impiego varia a seconda del grado di approssimazione richiesto. Il diodo è il componente strutturale più adatto al raddrizzamento di correnti alternate.

IL TRANSISTOR BIPOLARE A GIUNZIONE

alla piastra e l'emettitore corrisponde al catodo). Il funzionamento del transistor BJT si basa sul controllo del flusso di corrente tra il collettore e l'emettitore attraverso la base. Quando una corrente di controllo viene applicata alla base, si crea un campo elettrico che modifica la regione di svuotamento della giunzione base-collettore. Questo permette di controllare il flusso di corrente tra il collettore e l'emettitore. Il transistor BJT può essere utilizzato come amplificatore di segnale o come interruttore.

All'anodo del triodo e l'emettitore al catodo). Di solito la giunzione B-E è detta "giunzione di emettitore", quella B-C è chiamata "giunzione di collettore". Esistono due tipi di transistor BJT: quello N-P-N e quello P-N-P. Generalmente i circuiti con BJT hanno l'emettitore come terminale comune (sia al circuito in ingresso che al circuito in uscita), per cui tale tipo di configurazione è detta "ad emettitore comune" (EC o CE). In tal caso si possono scegliere la corrente in ingresso Ib sulla base e la tensione in uscita Vce sul collettore come variabili indipendenti e quindi la corrente Ic in uscita sul collettore e la tensione Vbe in ingresso sulla base sono le variabili dipendenti. Avremo dunque due funzioni: Vbe=f1(Vce,Ib) e Ic=f2(Vce,Ib). A queste due funzioni corrispondono rispettivamente le curve caratteristiche d'ingresso e d'uscita di un BJT. Dando uno sguardo alle caratteristiche d'uscita Vce-Ic si nota

che per ogni valore di Ib (a ciascuna curva corrisponde un diverso valore di Ib), la corrente Ic non varia in modo apprezzabile al variare dell' tensione Vce. Le caratteristiche di ingresso non hanno molta importanza in quanto dipendono poco dalla tensione Vce: il costruttore fornisce, di solito, una soltanto di queste curve d'ingresso. Per concludere queste brevi nozioni sui BJT, possiamo dire che essi si comportano in modo differente a seconda della posizione del "punto di lavoro" sul grafico Vce-Ic, a sua volta determinata dal circuito di polarizzazione. Si possono evidenziare tre zone: 1) la zona di interdizione, in cui il BJT si comporta come un interruttore aperto; 2) la zona "attiva", in cui il BJT si comporta da amplificatore; 3) la zona di saturazione, in cui il BJT si comporta come un interruttore chiuso. La zona che interessa maggiormente per il funzionamento da amplificatore per piccoli segnali è quella "attiva", mentre il

Il comportamento ON-OFF (cioè in saturazione e in interdizione) è tipico dei dispositivi di potenza in cui il BJT viene utilizzato come interruttore "statico", ossia senza contatti in movimento e con tempi di commutazione ridottissimi.

I CIRCUITI INT