Esistono dei corpi, come il germanio e il silicio, che hanno proprietà diverse. Allo stato puro sono dei materiali perfettamente isolanti, ma diventano conduttori se contengono delle impurità, anche se in minime proporzioni.

La loro resistività diminuisce se vengono a contatto con il calore (in questo caso si chiamano termistori) e in presenza di una fonte di illuminazione.

Se l’impurità è dovuta alla presenza di arsenico o antimonio il semiconduttore disporrà di elettroni liberi e di conseguenza viene detto di varietà n (negativa).

Se invece vi è presenza di gallio o indio, il semiconduttore disporrà della presenza dei “buchi” (elettroni legati) e di conseguenza viene detto di varietà p (positiva).

In pratica il semiconduttore ha due tipi di conducibilità, per cariche negative o per cariche positive. Quando le varietà dei semiconduttori sono in contatto, si ha una giunzione. A questo livello si producono gli scambi e le combinazioni d’elettroni e i buchi che costituiscono la base dei funzionamenti elencati.

IL DIODO

E’ monocristallo formato da una giunzione che separa le due varietà p e n.

La corrente  può passare solo nel senso della freccia la cui punta è rappresentata dal triangolo.La curva caratteristica rappresentata in figura indica la tensione tra i due morsetti del diodo in funzione della corrente che lo attraversa.
La sua resistenza apparente (rapporto tra V e I ) è variabile e diminuisce al crescere della corrente. L’ordine dì grandezza della tensione utilizzata è tra 1 e 2 V.

Questa perdita di energia nel diodo è fonte di autoriscaldamento, di conseguenza si rende necessario il raffreddamento dei diodi tramite sedi appropriate e ventilate.

L’innalzamento della temperatura può far perdere la proprietà di conduzione con conseguente distruzione del diodo (corto circuito).
Il senso di conduzione non è categorico, ma una piccolissima corrente può circolare in senso contrario, senza creare problemi.
Le tre funzioni principali del diodo sono: isolamento, scarica, raddrizzamento.

Isolamento:
Il diodo è interposto tra le parti di un circuito elettrico in cui la corrente deve circolare in un senso solo.
Esempio:

Un diodo posizionato tra l’alternatore e la batteria ricevente.
Il diodo lascia passare la corrente solo quando l’alternatore avrà una f.e.m. superiore a quella presente nella batteria collegata. In questo caso sostituisce l’interruttore di minima

isolamento

Scarica

Il diodo è collegato in derivazione ad un circuito elettrico avente una forte autoinduzione.

Il diodo non è in conduzione quando l’impianto è alimentato dal generatore esterno (interruttore chiuso), ma andrà in conduzione quando l’interruttore si aprirà, permettendo il passaggio dell’extra corrente.

Raddrizzamento:

Impiego principale del diodo.

E’ l’impegno principale del diodo, quello che ha permesso all’alternatore di introdursi nell’impianto elettrico con la prospettiva di insostituibilità.

Diversi casi devono essere distinti a seconda del numero di fasi e a seconda che si vogliano raddrizzare uno o due alternanze delle f.e.m.(forze elettromotrici alternate).

In figura il caso di corrente mono fase con relativa alternanza

RADDRIZZAMENTO AD UNA SEMIONDA

La caratteristica del diodo mette in evidenza la sua proprietà di conduttore unidirezionale. Tale proprietà viene usata per raddrizzare la corrente, prodotta al valore medio (non nullo) partendo dalla tensione alternata fornita da un generatore.
Alimentando un diodo con tensione sinusoidale, in un carico disposto in serie ad esso, circola una corrente unidirezionale.
Infatti il diodo condurrà nel semiperiodo in cui l’anodo si trova a potenziale positivo rispetto al catodo e non condurrà nel semiperiodo successivo.

PONTE DI GRAETZ

Il ponte di Graetz, è formato da quattro diodi disposti a quadrilatero e realizza il raddrizzamento delle due semionde di tensione sinusoidale (due alternanze, positiva/negativa).

Alimentando i due vertici del quadrilatero, nel carico collegato agli altri due vertici, circolerà la corrente pulsante ma unidirezionale in entrambi i semiperiodi.

Facendo riferimento al ponte in figura 1 il semiperiodo di conduzione interessa i diodi 2 e 4, alimentati in modo diretto, e sono esclusi i diodi 1 e 3 alimentati in modo inverso.

In figura 2 saranno alimentati i diodi 1 e 3 (altro semiperiodo) e di conseguenza saranno interdetti i diodi 2 e 4

DIODO ZENER

Questo tipo di diodo è una particolare versione del diodo tradizionale. Esso viene applicato in senso opposto al passaggio della corrente circolante nel circuito.

Finché la tensione che lo attraversa sarà debole, e di conseguenza anche la corrente sarà limitata, esso avrà solo un senso di conduzione, come in un normale diodo.

Ma a partire da una certa tensione detta di rottura o di tensione Zener, la corrente crescerà a valanga modificandone il suo comportamento di conduzione. La caratteristica del diodo Zener è quella riportata in figura a sinistra dell’asse delle ordinate, che non è altro che la caratteristica di un diodo ordinario.

Quando la tensione di polarizzazione inversa applicata al diodo zener supera il valore Vz specifico di quel diodo esso si comporta come un interruttore chiuso lasciando passare tutta la corrente che può fino alla sua distruzione per surriscaldamento quando si supera la massima corrente inversa.

Per evitare la distruzione al diodo zener viene abbinata una resistenza Rc per fissarne il campo di regolazione e quindi evitare di superare la corrente inversa massima caratteristica dello stesso diodo

La rappresentazione schematica del diodo Zener può essere indicata con tre diversi simboli, riportati in  figura

Simboli Zener

Ricordiamo le due funzioni principali del suo impiego, anche se in realtà sono  molto  simili tra  loro;

Regolazione:

Il diodo è sottoposto, in posizione invertita, alla tensione VX che si deve regolare. Al superamento del valore voluto il diodo lascia passare una corrente che piloterà direttamente, o con l’aiuto di u circuito elettronico, la riduzione della tensione VX iniziale.

A riduzione avvenuta il diodo non sarà più in conduzione e quindi l’effetto di regolazione cesserà. Questo sistema è adottato per i regolatori di tensione degli alternatori.

Stabilizzazione della tensione:

Si inserisce trai capi di un generatore di cui si vuole stabilizzare la tensione, un circuito comprendente una resistenza e un diodo Zener.
Occorre che la tensione del generatore sia superiore alla tensione critica del diodo (tensioneZener).
In tale condizione la corrente che si stabilisce è tale da creare nella resistenza una caduta di tensione uguale alla differenza tra la tensione del generatore e la tensione di caduta del diodo.

La tensione che si otterrà ai capi del diodo sarà stabilizzata, e si potrà disporne per l’uso previsto.

Stabilizzazione della tensione

IL FOTODIODO

E’ conosciuto anche come cellula fotoelettrica o diodo fotosensibile. La sua caratteristica è quella rappresentata in figura, sarà sufficiente alimentarlo con una tensione inversa perché esso possa essere percorso da una corrente in funzione dell’illuminazione a  cui è sottoposto.

Questa possibilità è dovuta ad un fotone che colpisce il germanio presente nella sua struttura il quale  libererà degli elettroni permettendo così la conduzione in funzione dell’illuminazione.

Non si confonda il foto diodo con il  fototransistore!

IL TERMISTORE

Le sue caratteristi che sono rappresentate in figura, la corrente aumenta rapidamente con la temperatura come si può vedere dal diagramma.

Dalle curve rappresentate il termistore può essere usato come regolatore, tenendo conto della temperatura ambiente. Infatti, in periodi freddi, per una stessa tensione la corrente sarà meno forte e la regolazione ottenuta differente.

Il termistore può essere anche usato,  come si è già detto, come ritardatore.

Il suo particolare riscaldamento, non istantaneo, interviene con un certo sfasamento regolabile e per mezzo del suo dispositivo di raffreddamento.

Questo componente trova impiego nei regolatori tensione e di corrente.

IL DIODO S.C.R.

Questo particolare tipo di diodo è conosciuto anche come thyratron solido, diodo a elettrodo di comando, diodo comandato, diodo controllato, tristore.

Il suo funzionamento è uguale ad un diodo ordinario, ma essendo composto da tre giunzioni: anodo, catodo e gate per poter essere in conduzione necessita di un impulso di comando (gate). Successivamente rimarrà in conduzione finché in esso sarà presente la corrente principale.

Trova impiego nei sistemi di accensione, il cui impulso fa scaricare un condensatore sul primario,
e nei regolatori degli alternatori il cui induttore è un magnete permanente.

Può sostituire i diodi raddrizzatori e introdurre un nuovo elemento di regolazione nel raddrizzamento.

Esso permette infatti di sostituire metà dei diodi di raddrizzamento con altri comandati dal dispositivo di regolazione.

TRANSISTORI

Nel transistore appare una giunzione supplementare al diodo ordinario, di conseguenza le possibili successioni dei semiconduttori possono esser di natura p n p oppure n p n.

Esso è formato da tre capi denominati: emettitore (E), collettore (C), base (B).
Se il transistore riceve la tensione positiva tra E e B (cioè da E verso B) si indicherà l’emettitore con una freccia rivolta verso la base. Nel caso contrario la freccia dell’emettitore sarà capovolta.

Le frecce in figura indicano il verso della corrente.

Variando la tensione applicata alla base, il transistore passa in conduzione o in interdizione.
Quando è in conduzione, c’è una piccola quantità di corrente nel circuito emettitore – base.
Questa corrente controlla la quantità di corrente che scorre nel circuito emettitore – collettore.

Normalmente la corrente nel circuito emettitore-collettore è molto più grande rispetto a quella circolante nel circuito emettitore – base.

ANALOGIA CON TELERUTTORE

Rispetto al teleruttore il transistore presenta il vantaggio di non avere parti in movimento, di effettuare interruzioni molto più rapide e di durare molto più a lungo.

Nella figura seguente sono riportati due circuiti, uno con teleruttore, l’altro con transistore, che presentano un’evidente analogia di comportamento.

In entrambi viene alimentato un carico che assorbe una corrente di 8A e si possono individuare un circuito di potenza ed uno di comando: il circuito di potenza è evidenziato col grassetto

Analogia

I dati  tecnici del transistore, sono forniti dal costruttore tramite apposita manualistica.  I dati utilizzati più frequentemente sono:

I_{C max}        = corrente massima di collettore

V_BE           = tensione base-emettitore

V_{CE max}   = tensione massima tra collettore ed emettitore

P_max          = potenza massima

h_FE            = coefficiente di amplificazione di corrente

EFFETTO HALL

L’effetto Hall è un particolare fenomeno che si manifesta in alcuni materiali semiconduttori.

Quando un cubo di questo materiale è attraversato da una corrente (Iv) e da un campo magnetico (B) secondo due diverse direzioni dello spazio produce nella terza direzione una tensione (Uh) proporzionale. Quindi un sensore ad effetto Hall avrà solitamente un magnete permanente che viene nascosto o meno al materiale semiconduttore.

Oppure avrà il materiale semiconduttore che viene interessato dal campo magnetico solo in alcuni istanti.

MATERIALI PIEZOELETTRICI

La caratteristica di base dei materiali piezoelettrici è quella di poter trasformare una deformazione elastica in una grandezza elettrica proporzionale e viceversa.

Se si sottopone a pressione un cubo di materiale piezoelettrico si ha in pratica una differenza di potenziale elettrico tra le due facce interessate alla pressione.

Analogamente se si impone una differenza di potenziale tra due facce di un cubo di materiale piezoelettrico si avrà una deformazione elastica lungo la congiungente queste due facce.

La velocità di risposta del materiale è elevatissima sia in un senso della trasformazione che nell’altro, inoltre alcuni di questi materiali piezoelettrici hanno la particolarità di poter oscillare come dimensione solo ad una ben precisa frequenza

FUNZIONAMENTO

• applicando una pressione P alle due facce si ha una deformazione elastica del pezzo pari a Dh ed una tensione elettrica paria a V;
• analogamente applicando la stessa tensione V alle due facce del pezzo, con la stessa polarità, si ha una uguale deformazione Dh e quindi una uguale pressione esercitata verso l’esterno

RELAZIONE TRA TENSIONE E DEFORMAZIONE

Il grafico riportato di seguito mostra un possibile andamento della curva che lega la tensione prodotta a seguito di una certa deformazione percentuale di un pezzo di materiale piezoelettrico.

Notare il punto “break point” oltre il quale non ha più senso parlare di tensione piezoelettrica. Oltre questo livello infatti la deformazione del pezzo assume le caratteristiche di deformazione plastica e non più elastica. Questo vuol dire che oltre questo punto il pezzo rilasciato libero non torna più alle sue normali dimensioni iniziali ma resta deformato.

Punto di rottura (break point)

MATERIALI MAGNETORESISTIVI

Considerando un blocchetto di materiali magnetoresistivo si potrà avere una certa resistenza elettrica al passaggio di corrente. Sottoponendo questo blocchetto ad un campo magnetico B si avrà una variazione di questa resistenza.

Il verso della variazione, positivo o negativo, dipenderà esclusivamente dal verso del campo magnetico che investe il materiale.

Questi materiali vengono impiegati principalmente come sensori di prossimità o di giri.

Realizzando infatti un anello con delle estensioni polari magnetiche alternate lungo il bordo e facendolo girare davanti ad un sensore magnetoresistivo si avrà un segnale alternato in uscita di frequenza proporzionale alla velocità di rotazione dell’anello stesso.