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Utilizzo del diodo per proteggere i sistemi elettronici

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Introduzione
 

Il diodo è il primo semiconduttore che si studia dopo aver imparato la teoria che sta dietro la giunzione PN. Nonostante rappresenti il più semplice dei semiconduttori, le sue applicazioni sono innumerevoli ed in particolare hanno fatto si che diodi speciali fossero realizzati con parametri ottimizzati per determinati utilizzi. Si pensi per esempio che i LED siano essi rossi, gialli, verdi, blu o bianchi non sono altro che dei diodi opportunamente drogati al fine di rendere l'energia emessa dalla giunzione PN al passaggio della corrente, tale da poter essere vista dall'occhio umano. Il controllo di un sintonizzatore radio digitale utilizza invece diodi varicap, ovvero diodi ottimizzati per poter essere utilizzati come condensatori variabili. Anche qui non si fa altro che sfruttare ed ottimizzare drogaggi e struttura meccanica di una giunzione PN, ovvero un diodo.

In questa Brief Note metteremo in evidenza le applicazioni dei diodi come componenti per proteggere gli ingressi analogici/digitali e i transistor. Per i nostri scopi basterà ricordare che il diodo, nel suo modello più semplice rappresenta un interruttore. Esso risulterà chiuso, ovvero condurrà (stato di saturazione), quando il suo anodo risulta positivo rispetto al catodo. Di quanto l'anodo debba essere più positivo del catodo dipende dal tipo di diodo utilizzato, in particolare per diodi al silicio classici tale differenza deve essere di circa 0.6V, mentre per diodi Schottky deve essere di circa 0.35V (diodi al germanio, non trattati in questa Brief Note hanno un potenziale di barriera di 0.2V). Nel caso in cui l'anodo risulti negativo rispetto al catodo, il diodo non conduce, ovvero è interdetto, e si comporta come un interruttore aperto. Vediamo alcune applicazioni in cui il diodo o rete di diodi può proteggere i nostri circuiti, rendendo il nostro progetto più robusto contro errori umani o transitori.



 

Proteggere un sistema elettronico da inversione di polarità dell'alimentazione

La possibilità che una scheda di sviluppo sia erroneamente collegata con alimentazione invertita non è una possibilità remota. Questo problema affligge in realtà anche i sistemi la cui alimentazione viene prelevata da alimentatori universali, i quali oltre ad avere la possibilità di impostare la tensione, possiedono vari connettori standard, la cui polarità può essere invertita. Questa opzione, anche se utile per poter alimentare tutti i sistemi indipendentemente dalla polarità del connettore, può creare problemi a sistemi con polarità inversa a quella impostata. Per mezzo di un diodo collegato come in Figura 1 si risolve il problema da eventuali inversioni di polarità.

 

Figura 1: Esempio di sistema protetto da un diodo contro le inversioni di polarità.

Figura 1: Esempio di sistema protetto da un diodo contro le inversioni di polarità.

La protezione del diodo è garantita grazie al fatto che se inversamente polarizzato (polarità errata), il diodo rimane interdetto, ovvero interruttore aperto. La scelta del diodo dipende dal progetto, in particolare la corrente che deve essere erogata dal sistema è di fondamentale importanza, come anche la massima tensione inversa che il diodo si troverà ad avere. Altro parametro importante è relativo alla tecnologia utilizzata ovvero un normale diodo al silicio con caduta di potenziale di circa 0.6V o un diodo Schottky, la cui caduta di potenziale è di circa 0.35V. In sistemi a batteria è bene utilizzare diodi Schottky in maniera da limitare la caduta di potenziale. Questo permette di limitare la potenza dissipata sul diodo stesso (P= V·I) permettendo dunque l'utilizzo del sistema per tempi più lunghi, e di risparmiare il “livello di tensione” necessario per il corretto funzionamento del sistema stesso. In sistemi non a batteria, la scelta potrebbe ricadere sui normali diodi al silicio come 1N4148 (per piccole correnti) o 1N4004 per correnti di 1A, che in generale risultano più economici dei diodi Schottky e di quelli al germanio.
 

Protezione di transistor da carichi induttivi

Frequentemente carichi induttivi quali Relay, motori DC, vengono pilotati da transistor, siano essi BJT o MOS. In ambedue i casi, è bene sapere che disattivare un carico induttivo determina dei transitori in tensione, ovvero degli spike che possono causare la rottura del transistor pilota (driver). La ragione per cui si viene a creare tale tensione transitoria è legata al fatto che la tensione ai capi dell'induttanza, ovvero carico induttivo, è proporzionale al valore dell'induttanza e alla rapidità con cui varia la corrente. Durante il passaggio di corrente da un valore costante ad un valore nullo ovvero da uno stato di carico attivo a disattivo, la corrente varia in generale molto rapidamente, causando un aumento della tensione ai capi dell'induttore. Questa tensione si viene a trovare proprio ai capi del transistor pilota e può facilmente superare la tensione di breakdown che porta alla rottura del transistor. Al fine di protegger il transistor pilota è possibile utilizzare un diodo in parallelo al carico, come riportato in Figura 2.

Figura 2: Protezione di un transistor da transitori di tensione dovuti a carichi induttivi.

Figura 2: Protezione di un transistor da transitori di tensione dovuti a carichi induttivi.

Come visibile il diodo risulta normalmente inversamente polarizzato ovvero il catodo è ad un potenziale più alto dell'anodo. Quando a causa di variazioni di corrente la tensione ai capi del carico induttivo risulti maggiore di Vcc, o meglio Vcc+Vd, dove Vd è la tensione necessaria per mandare in conduzione il diodo, il diodo entra in conduzione ed il carico risulta cortocircuitato dunque la tensione ai capi del carico risulta essere Vd mentre la tensione sul collettore risulta essere Vcc+Vd. La scelta del diodo da utilizzare è piuttosto delicata ma alla base sta il fatto che il diodo debba essere veloce, per tale ragione si prediligono diodi Schottky per applicazioni switching. L'energia che devono sopportare dipende dalla durata del transitorio e dalle correnti in gioco, in generale però, il diodo può essere scelto in funzione della capacità di resistere a correnti impulsive piuttosto che a correnti continue (normalmente molto inferiori). Frequentemente transistor di potenza pensati per pilotare carichi induttivi già possiedono un diodo di protezione interna, questo però risulta in generale più lento di diodi per applicazioni switching, dunque anche in questi casi bisogna valutare la possibilità che possa essere necessario un diodo di protezione esterno. Oltre al diodo di protezione, qualora il transistor pilota debba pilotare grandi carichi induttivi e le correnti in gioco siano di diverse Ampere, può ritornare utile anche un softstart e stop, ovvero un'attivazione e spegnimento lento del carico, limitando dunque la rapidità con cui varia la corrente. Un esempio pratico potrebbe essere il controllo di motori DC 12V 3A, i quali all'avvio e spegnimento potrebbero richiedere correnti di picco anche superiori a 10A. In questo caso per evitare di stressare la circuiteria di protezione, avere un softstart del carico può garantire una maggior vita al sistema. Normalmente per ottenere un softstart si fa ricorso alla modulazione PWM del transistor driver.
 

Protezione di ingressi analogici e digitali

In tutte le applicazioni in cui siano presenti dei pin o segnali che si interfacciano con il mondo esterno è bene, al fine di proteggere i pin dell'integrato o eventuali terminali di transistor da extra tensioni, usare dei diodi di protezione. Normalmente i pin di integrati possiedono al loro interno diodi di protezioni ESD (ElectroStatic Discharge) che permettono di proteggere l'IC durante la fase in cui vengono maneggiati in produzione o in laboratorio. Per proteggere una linea di ingresso di un integrato si può utilizzare la configurazione riportata in Figura 3.

Figura 3: Protezione di una linea d'ingresso digitale per mezzo di due diodi

Figura 3: Protezione di una linea d'ingresso digitale per mezzo di due diodi

Si noti che sono stati rappresentati i diodi interni all'integrato, normalmente presenti come protezione ESD. Sia i diodi interni che esterni sono normalmente interdetti, sono infatti tutti polarizzati inversamente. Questo schema richiede subito una nota, riguardo ai diodi da utilizzare. I diodi interni all'IC riescono a sopportare correnti piuttosto ridotte e per tempi brevi (tipiche di eventi ESD non eccessivi) ed affidarsi a questi diodi in caso di extra-tensioni siano esse causate da eventi ESD più gravi o tensioni eccessive presenti sul pin in ingresso, significherebbe con molta probabilità danneggiare l'IC poiché i diodi rompendosi potrebbero creare dei cortocircuiti interni. Per evitare che i diodi interni siano stressati troppo, i diodi di protezione esterni dovrebbero essere di tipo Schottky. Questa accorgimento permetterebbe di far attivare i diodi esterni, in caso di extra-tensioni, prima di quelli interni (si ricorda che i diodi Schottky si attivano per tensioni di circa 0.35V mentre i diodi al silicio utilizzati internamente agli integrati si attivano a circa 0.6V). Nonostante il gioco apparentemente funzioni, i diodi interni verranno comunque stressati da una corrente che non potremmo prevedere se non ponendo ipotesi di caso peggiore. In Figura 4 è riportata una piccola modifica con l'aggiunta di due resistori.

Figura 4: Miglioramento del circuito di protezione degli ingressi digitali di un integrato.

Figura 4: Miglioramento del circuito di protezione degli ingressi digitali di un integrato.

R1 permette di limitare la corrente sui diodi Schottky mentre R2 permette di limitare la corrente nei diodi di protezione interni all'IC. La scelta dei valori di R deve essere tale da limitare la corrente ma al tempo stesso da non alterare il normale livello logico a cui deve operare l'ingresso digitale. Stessa considerazione deve essere applicata nel caso in cui si utilizzi tale configurazione per proteggere un ingresso analogico.

La protezione ora descritta fa utilizzo di soli diodi, tale approccio è cosi frequente che sono presenti sul mercato diverse soluzioni integrate con tutti i diodi necessari per proteggere da extra-tensioni più linee di sistema tra le quali anche l'alimentazione. Oltre all'approccio ora descritto, volendo spendere ulteriori soldi a protezione del sistema è possibile aggiungere dei TVS (Transient Voltage Suppressor, anche noti come TransZorb o Transil) e degli scaricatori a gas (alcuni esempi sui TVS verranno a breve descritti). I TVS sono spesso utilizzati per proteggere anche le linee di alimentazione dell'integrato e frequentemente sono in parallelo con gli scaricatori a gas, i quali risultano più lenti dei TVS ma sono in grado di dissipare una maggiore energia derivante da una extra tensione anche dovuta ad un fulmine che si sta scaricando sulla rete elettrica di casa. Come si vedrà, a seconda delle applicazioni ci sono alcuni parametri parassiti che bisogna tenere a mente, e per cui in determinate applicazioni scaricatori a gas (comunque piuttosto costosi) non possono essere utilizzati.

 

Protezione del bus USB

Tra le interfacce digitali di utilizzo comune vi è il bus USB, la particolarità di tale bus rispetto agli ingressi precedentemente trattati è quella di avere un flusso d'informazione che transita e frequenze elevate (con USB 3.0 si arriva a ben 4800Mb/s, ovvero dieci volte più veloce dell'USB 2.0). Altra caratteristica da tenere a mente è che il bus è di tipo differenziale. In questa situazione è necessario prendere alcune accortezze al fine di evitare che la comunicazione venga alterata dalla rete di protezione. Un modo semplice per ovviare a ciò è quello di utilizzare componenti progettati e certificati per proteggere il bus USB 2.0, USB 3.0 o altro bus che si voglia proteggere. Consideriamo il caso in cui non possiamo utilizzare componenti “out of the shelf” e dobbiamo proteggere una porta USB. In Figura 5 è rappresentata una possibilità in cui si proteggono anche le linee di alimentazione della porta, precauzione da prendere ogni qual volta si vogliano proteggere le linee dati.

Figura 5: Protezione del bus USB per mezzo di diodi TVS.

Figura 5: Protezione del bus USB per mezzo di diodi TVS.

In questa soluzione si è fatto uso di diodi TVS, molto simili a diodi zener ma dalla caratteristica di essere più veloci ed in grado di dissipare una maggiore energia. I TVS possono infatti dissipare anche potenze, per brevi periodi, di 1500W. Questi possono essere sia unidirezionali che bidirezionali, in particolare i bidirezionali hanno una doppia soglia, positiva e negativa, e li si ottiene mettendo in serie due diodi TVS in polarizzazione inversa. La loro protezione è garantita dal fatto che superata la soglia di protezione (tensione di breakdown), sia essa positiva che negativa, il diodo conduce cortocircuitando l'energia in eccesso verso massa.

I diodi da utilizzare, devono avere la caratteristica di possedere capacità parassite di pochi pF ed essere quanto più simmetrici possibili. Questo significa che utilizzare integrati con inclusi tutti i diodi necessari può portare una maggior simmetria e garanzia che la circuiteria di protezione non alteri il flusso dati. In questi casi, proprio per l'esigenza di avere basse capacità parassite e simmetria, gli scaricatori a gas, come anche i varistor, non possono essere utilizzati. Questi componenti vengono maggiormente utilizzati per proteggere l'alimentazione del sistema.

Frequentemente case costruttrici di dispositivi con interfaccia USB pubblicizzano i propri prodotti facendo notare che non si ha bisogno di nulla tra il loro driver USB e il connettore stesso. Questo anche se in generale è vero, non mette in evidenza il caso in cui si voglia proteggere la porta USB. Da qui i lettori MP3 economici non hanno spesso nessuna protezione della porta USB (al fine di risparmiare sul BOM (Bill of Material, lista dei componenti)...e improvvisamente si rompono! Ci sono anche altre ragioni che possono portare alla loro rottura ma quando indossiamo una tuta sintetica o un maglione di lana e ci carichiamo elettrostaticamente, mettiamo a rischio i dispositivi elettronici che non hanno le interfacce protette.

 

 

 

 

Figura 2: Protezione di un transistor da transitori di tensione dovuti a carichi induttivi.

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