Prima di continuare, e imparare a controllare i motori DC con Arduino, ci servono altri due componenti: i diodi e i condensatori. Con i transistor, che abbiamo appena visto, insieme ai resistori completano il set di componenti più utilizzati nei circuiti elettronici che vedremo.
Diodi
Come i transistor, anche i diodi sono costruiti per utilizzare le fantastiche proprietà dei semiconduttori. Come vedremo, anche i led sono un particolare tipo di diodo!
Diodi Ideali
La funzione principale di un diodo ideale è quella di controllare la direzione del flusso di corrente. Idealmente, la corrente può attraversare un diodo solo se è direzionata come la “direzione di forward” del diodo (la direzione della freccia del suo simbolo).
Il comportamento del diodo dipende ovviamente anche dalla tensione che troviamo tra i suoi terminali (anodo e catodo).
Come possiamo vedere in figura, se mettiamo una tensione negativa sul diodo, non scorrerà corrente (infatti la corrente scorrerebbe nel verso sbagliato), in caso contrario non c’è limite alla corrente che può scorrere.
Il lettore si potrebbe chiedere “ma come è misurata questa tensione e corrente?“. Ovviamente secondo la convenzione degli utilizzatori, ma avendo l’accortezza di orientare la corrente come la “freccia” del diodo. In caso contrario, ricordarsi di invertire anche le frecce della caratteristica.
Diodi Reali
I diodi ideali che abbiamo appena visto, non li possiamo in realtà costruire. Possiamo però arrivare ad un componente con una caratteristica che ricorda molto quello del diodo ideale.
Ricordiamo che la caratteristica di un componente elettrico è la rappresentazione grafica del legame tra tensione e corrente che il componente impone. Finora abbiamo implicitamente visto quella della resistenza, che è una retta passante per l’origine, con pendenza 1/R (legge Ohm). Il diodo reale ha invece caratteristica totalmente non lineare.
Come possiamo vedere dalla figura, non è vero che il diodo si comporta come un cortocircuito, anche se la corrente è orientata in modo corretto.
In particolare, come si osserva dalla figura, abbiamo in genere una differenza di potenziale di 0.7V per i diodi più comuni. Questo valore è in genere indicato con $latex V_{F} $, e chiamato tensione di forward (forward voltage) o “tensione cut-in“. Dipende dal tipo di semiconduttore utilizzato per costruire il diodo.
Modalità Forward
Questo significa che affinché il diodo lasci passare la corrente, dobbiamo avere ai suoi capi almeno una differenza di potenziale di 0.7V (o 0.3V, a seconda del modello). Questa differenza di potenziale imposta dal diodo si chiama “voltage drop”, ed è bene ricordarsi della sua esistenza quando lo utilizziamo.
Ad esempio, quando abbiamo trattato come alimentare Arduino Uno, abbiamo visto che utilizzando il Jack dovevamo avere almeno una tensione di 7V, mentre dalla porta VIN bastavano 6V. Ora possiamo spiegare il motivo: è presente un diodo (diodo M7) appena dopo il Jack (per protezione contro l’inversione di polarità), e prima del regolatore di tensione del 5V. Poiché vogliamo almeno 6V al regolatore, dobbiamo tenere conto che perdiamo circa 1V per il voltage drop del diodo, quindi dobbiamo avere in ingresso almeno 7V.
Modalità Reverse
Se la tensione è minore di $latex V_{F} $, ma maggiore di $latex -|V_{BR}| $, nel diodo praticamente non scorre corrente.
Abbiamo infatti solo una corrente molto piccola chiamata “reverse saturation current”, che è nell’ordine dei nano-ampere.
Tensione di Rottura (Breakdown voltage)
Se applichiamo al diodo una tensione negativa superiore in modulo a $latex V_{BR} $, il diodo lascerà passare ugualmente la corrente. Alcuni diodi sono progettati per operare in questa zona (vedremo a breve i diodi zener), ma per la maggior parte non va bene.
La tensione $latex V_{BR} $ è chiamata tensione di rottura (breakdown voltage). Un diodo normale lascia passare la corrente al contrario se la tensione che applichiamo ai suoi capi è un valore “più negativo” di -50V.
Come scegliere un diodo
Innanzitutto, ogni diodo (come ogni componente elettrico) ha una propria documentazione (datasheet). Per un diodo 1N4148, ad esempio:
Possiamo osservare ad esempio che il diodo:
- ha un voltage drop di al massimo 1000mV = 1V
- non riesce ad bloccare la corrente se lo sottoponiamo a tensioni più piccole (maggiori in modulo!) di -100V
- è progettato per far scorrere in modo continuo una corrente di al massimo 300mA
- brucia se gli facciamo dissipare una potenza di più di 500mW a temperatura ambiente.
In particolare, notiamo che maggiore è la corrente che vogliamo far scorrere nel diodo (ovviamente sotto il valore massimo), maggiore il voltage drop del diodo:
Osserviamo così qualcosa che prima avevamo omesso: non è vero che il voltage drop di un diodo è costante.
Per scegliere un diodo, quindi, occorre prestare attenzione in particolare alla corrente massima che vogliamo lo attraversi, e anche alla massima potenza che può dissipare. Se superiamo questi valori soglia, il diodo inizierà a surriscaldarsi in modo incontrollato, fino a fondersi. E questo, come abbiamo visto, lo potrà far diventare un cortocircuito o un circuito aperto a seconda del caso.
Per facilitarci la scelta, nel prossimo paragrafo vedremo le varie tipologie di diodi, e il loro utilizzo.
Tipologie di Diodi
Diodi per segnali
I diodi per segnali sono quelli più semplici e comuni. Di solito hanno un voltage drop medio-alto, e una corrente massima ammessa piuttosto bassa.
Un diodo comune di questa tipologia è 1N4148:
Ha molte applicazioni, e in genere ha un voltage drop di 0.72V e 300mA massimi di corrente ammessa.
Diodi di potenza
Un raddrizzatore o diodo di potenza è un diodo standard che ha un valore di corrente massima molto più elevato. Generalmente, questo si paga con una tensione di forward necessaria più elevata.
Un esempio è il diodo 1N4001:
Il diodo 1N4001 ha una corrente massima di 1A, e una tensione di forward di 1.1V
Inoltre esistono anche diodi con forme differenti, per adattarsi ai circuiti stampati:
Led
I led non sono altro che dei diodi, che si illuminano quando applichiamo loro una tensione positiva. Come dei normali diodi, permettono alla corrente di scorrere soltanto nella giusta direzione.
Hanno anche un forward voltage (1.2-3V), che come abbiamo avuto già modo di vedere, è di solito maggiore di un diodo normale.
Ovviamente esistono anche led che emettono su lunghezze d’onda non visibili all’occhio umano: i led infrarossi, presenti nei telecomandi.
Un’applicazione che magari non sarà nota al lettore è l’utilizzo dei led per trasmettere informazioni tra circuiti “critici” che utilizzano voltaggi elevati, con anche dei rischi elettrici, e circuiti a bassa tensione. Vogliamo infatti evitare di friggere i secondi, se si verificassero problemi nei primi.
Utilizziamo quindi quelli che vengono chiamati optoisolatori o fotoaccoppiatori: invece di comunicare tra i circuiti mediante un filo, o una traccia di PCB, utilizziamo la luce. In questo modo, un problema elettrico brucerà solo il led, e il nostro circuito resterà intatto.
Un fotoaccoppiatore è costituito da un led e da un sensore di luce.
I fotoaccoppiatori possono essere utilizzati tranquillamente nei nostri circuiti. Sono infatti poco costosi, e semplici da usare.
Per i lettori più curiosi, ci occuperemo del loro utilizzo con Arduino in un articolo successivo.
Diodi Schottky
Sono un tipo di diodo altrettanto comune. La composizione di questo diodo è però leggermente diversa dai diodi normali, e per questo presentano un voltage drop minore (tra 0.15V e 0.45V). Mantengono comunque una tensione di breakdown alta.
A causa della bassa tensione di forward, vengono utilizzati spesso in circuiti dove si vuole sfruttare anche l’ultimo briciolo di tensione. Per questa particolarità, inoltre, è stato assegnato loro un simbolo a parte:
Diodi Zener
I diodi zener sono tipo di diodo piuttosto particolare. Sono infatti appositamente utilizzati “al contrario”. Hanno infatti una tensione di breakdown molto precisa, chiamata zener breakdown o zener voltage.
Se facciamo scorrere abbastanza corrente al contrario attraverso il diodo zener, la tensione ai suoi capi rimane stabile a quella di breakdown.
Questa particolarità è utile per avere una tensione di riferimento in un circuito:
Come possiamo osservare in figura, scegliamo opportunamente la resistenza, affinché sul diodo ci sia almeno la sua tensione di breakdown. A questo punto, non appena la corrente inizia a fluire nel diodo, tra i suoi capi avremo esattamente 3.3V
Come i precedenti diodi, anche per questi esiste un simbolo specifico:
Fotodiodi
I fotodiodi sono un particolare tipo di diodo, costruito per catturare energia dai fotoni di luce per generare corrente elettrica. Operano come una sorta di anti-led.
I fotodiodi sono alla base dell’attuale tecnologia delle celle solari, ma hanno utilizzo anche come rilevatori di luce, e nella comunicazione ottica.
Passiamo ora a trattare i condensatori, prima di continuare con i nostri circuiti.