Diodi e alimentatori

Siamo arrivati qui dalle leggi dei circuiti e dai componenti passivi della pagina sui circuiti e i componenti, dove abbiamo imparato a far camminare la corrente dentro anelli ordinati rispettando resistenze, condensatori e induttori, e portiamo nel cuore il gesto magico imparato nella pagina sulla materia e i semiconduttori, dove il silicio drogato in due modi diversi ci ha mostrato una giunzione capace di comportarsi in maniera opposta a seconda del verso in cui la attraversiamo. Questa pagina mantiene la promessa che quei materiali ci hanno fatto, ed è la promessa di dare una via alla corrente, cioè di costruire un componente che lasci passare gli elettroni in un verso e li fermi nell'altro, perché su questo gesto semplice, che prende il nome di diodo, si reggono la luce dei LED, la ricarica dei telefoni, la protezione dei circuiti e molte altre abitudini dell'elettronica di ogni giorno.

Il diodo è figlio di una tecnologia che sembra uscita da un romanzo, perché il suo primo antenato è la valvola termoionica, un piccolo bulbo di vetro dal quale è stato aspirato quasi tutta l'aria, così da lasciare dentro un vuoto spinto in cui gli elettroni possono viaggiare senza incontrare ostacoli. All'inizio del Novecento, mentre la lampadina elettrica conquistava il mondo, i fisici si accorsero che un filamento riscaldato dentro il bulbo liberava elettroni, e che una placca metallica posta nelle vicinanze poteva raccoglierli, così Thomas Edison annotò il fenomeno nel 1883 senza capirne l'enorme portata, e John Ambrose Fleming lo trasformò nel 1904 in un dispositivo brevettato che chiamò valvola, perché Graffi e Gnudi nel loro libro ci ricordano l'analogia con la saracinesca idraulica che regola il passaggio dell'acqua in una conduttura, dato che anche questa valvola elettronica regolava il passaggio di una corrente con un comando debole, ed è curioso che l'inglese dica ancora oggi valve, valvola, quando parla delle valvole del suo ampli per chitarra.

La valvola a due elettrodi, quella che chiamiamo diodo a vuoto, funziona come una valvola di non ritorno per gli elettroni liberati dal calore, ed è una meraviglia da raccontare piano. Il filamento, attraversato da una corrente che lo porta al rosso, scalda il catodo, e il calore scuote gli elettroni del metallo fino a espellerli nello spazio vuoto, dove vagano liberi come vapori sopra una pentola bollente; se la placca, chiamata anche anodo, viene tenuta positiva rispetto al catodo, gli elettroni vengono attratti e attraversano il bulbo, così la corrente scorre, mentre se la placca viene portata a potenziale negativo respinge gli elettroni che tornano indietro e il flusso si arresta del tutto. Il calore fornisce l'energia per liberare gli elettroni e la tensione della placca decide il verso, e questo spiega perché una valvola accesa chiede tempo per scaldarsi e riprende dal freddo con la stessa lentezza con cui una stufa torna a scaldare una stanza.

Il salto geniale lo compì Lee de Forest nel 1906, infilando tra catodo e placca una terza lamina forata chiamata griglia, che diede alla valvola il nome nuovo di triodo dal prefisso greco che indica il numero tre. La griglia, posta vicino al catodo dove gli elettroni sono ancora tiepidi e lenti, li respinge o li lascia passare con una tensione esigua e quasi senza assorbire corrente, il che significa che un segnale piccolissimo applicato alla griglia comanda un flusso grosso che arriva alla placca, ed è la nascita dell'amplificazione, cioè per la prima volta nella storia un segnale debole prende il comando di una potenza grande. Per quarant'anni il triodo regnò sovrano, e il nostro ENIAC, il calcolatore che abbiamo già incontrato lungo il percorso, ne era pieno fino all'orlo, dato che Tanenbaum racconta come la macchina costruita da Mauchley ed Eckert negli anni della seconda guerra mondiale impiegasse diciottomila valvole termoioniche e millecinquecento relè, pesasse trenta tonnellate e bevesse centoquaranta kilowatt, un quartiere di lampade alimentate per far correre bit dentro una stanza.

Fra la valvola e il silicio esistette un'epoca eroica e casalinga, perché i primi radioamatori degli anni venti non potevano permettersi valvole a bizzeffe, e usarono come rivelatore dei segnali radio un pezzetto di minerale di galena, un cristallo di solfuro di piombo, toccato da un sottile filo elastico chiamato spinetta, da regolare con pazienza finché il contatto, che era di fatto una minuscola giunzione tra un metallo e un semiconduttore, lasciava passare la corrente in un solo verso e svelava la voce nascosta nell'etere. Fu il primo diodo solido della storia, fragile e capriccioso, e la sua lezione rimase a galla, perché quando nei laboratori degli anni quaranta si imparò a drogare il germanio e poi il silicio con regolarità industriale, la giunzione p-n arrivò come il ritorno di un'idea antica, questa volta robusta e fabbricabile a milioni di copie dentro un chicco di plastica nera.

Le valvole però erano grandi, fragili, costose e assetate di energia, perché ogni bulbo andava portato al rosso per funzionare, e la storia trovò il loro erede nel silicio della pagina sulla materia, dove la giunzione tra un cristallo drogato di tipo P e uno drogato di tipo N crea alla superficie di confine una barriera di potenziale, cioè un piccolo muro elettrico che si oppone al passaggio delle cariche. Quando applichiamo una tensione positiva dal lato P verso il lato N, detta polarizzazione diretta, il muro si assottiglia e la corrente trova la sua strada, mentre quando rovesciamo la tensione, detta polarizzazione inversa, il muro si alza e il passaggio resta sbarrato, salvo una perdita minutissima, ed è esattamente il comportamento della valvola a vuoto, rimpicciolito in una goccia di semiconduttore freddo che ignora il riscaldamento e non si consuma come il filamento.

Conviene fissare il volto del componente prima di proseguire, perché negli schemi il diodo si disegna come una freccia che investe una sbarretta, la freccia ricorda il lato P chiamato anodo, parola di origine greca che significa via su, la sbarretta ricorda il lato N chiamato catodo, cioè via giù, e la corrente convenzionale entra dall'anodo ed esce dal catodo seguendo il verso della freccia, mentre gli elettroni veri viaggiano nel verso opposto, un piccolo paradosso che nasce dal fatto che la freccia fu disegnata prima che l'elettrone fosse scoperto. Sul corpo vero del componente una fascia bianca o nera dipinta vicino a un capo segna il catodo, così anche a occhi chiusi sai da che parte arriva il lato che rifiuta di condurre.

Il modo più onesto per conoscere un diodo è guardare la sua curva caratteristica, il grafico che accosta la tensione ai suoi capi alla corrente che lo attraversa, e raccontiamola qui in prosa, come una strada da percorrere da sinistra a destra. Partendo da tensione nulla e salendo con dolcezza, la corrente diretta resta praticamente zero finché la tensione supera una soglia che per il silicio si aggira tra 0,6 e 0,8 volt, e qui accade la magia ripida, perché dopo la soglia la corrente cresce con una furia esponenziale, tanto che Graffi e Gnudi osservano come ogni aumento di appena sessanta millivolt moltiplichi la corrente per dieci, un'accelerazione che rende il diodo il componente più brusco incontrato finora in questo percorso.

A proposito di soglia, i primi diodi commerciali degli anni cinquanta erano al germanio, fratello del silicio nella tavola periodica, con una soglia più bassa intorno a 0,3 volt, ma il germanio si arrende al calore poiché perde di disciplina a temperature che per un apparecchio bollente sono normali, e il silicio, che sopporta il calore e si trova nella sabbia in quantità praticamente inesauribile, vinse la sfida industriale. Oggi il germanio resta tra i pezzi da collezione e nei dispositivi speciali, mentre la soglia da ricordare per i calcoli a mente è una sola, circa 0,7 volt per il silicio, valore che troverai scritto tra poco dentro le formule degli esperimenti.

Rovesciando la tensione si scopre la metà tranquilla della curva, perché in polarizzazione inversa scorre appena una corrente minuscola, dell'ordine del microampere, che i libri chiamano corrente di saturazione ed è così piccola che per un principiante vale come silenzio assoluto. Questa calma regge però soltanto fino a un limite segnato dal costruttore sul foglio tecnico, oltre il quale la barriera crolla nella cosiddetta rottura inversa, dove la corrente esplode e il diodo ordinario si brucia per sempre, così un diodo da recupero corrente come l'1N4007 va tenuto al di sotto dei suoi mille volt inversi dichiarati, salvo che non si tratti di un discendente speciale, lo zener, che proprio su quella rottura costruisce il suo mestiere, come racconteremo tra poco.

Tra i discendenti del diodo il più vistoso è il LED, cioè il diodo a emissione di luce (light emitting diode), che Neri descrive costruito con semiconduttori come l'arseniuro di gallio capaci di produrre luminescenza attorno alla giunzione quando è polarizzata in diretta, il che significa che gli elettroni che attraversano la barriera cadono dai loro livelli energetici alti verso il basso e liberano la differenza sotto forma di luce invece che di calore disordinato. La caduta di tensione del LED dipende dal colore, e conviene impararla a memoria, perché un LED rosso esige circa 2 volt per accendersi, un LED giallo o verde chiede poco più di 2 volt, e un LED blu o bianco arriva verso i 3 volt, e la ragione fisica sta nel salto energetico della giunzione, dato che materiali con salto più ampio liberano fotoni più energetici, e un fotone blu porta con sé più energia di un fotone rosso, esattamente come una nota acuta vibra più in fretta di una nota grave.

La giunzione sa fare anche il percorso inverso, e cioè trasformare la luce in corrente, perché un fotone che colpisce la regione della barriera ha l'energia sufficiente per staccare coppie di elettroni e lacune dal reticolo, e se il diodo è polarizzato inversa queste coppie vengono raccolte dal campo elettrico come foglie portate via dal vento. È il mestiere del fotodiodo, usato nei sensori e nelle letture ottiche, ed è il mestiere della cella solare, che altro non è che un diodo grande e sottile illuminato dal sole e progettato per regalare la corrente generata, e questo spiega un piccolo trucco che vale la pena custodire per gli esperimenti, dato che perfino un LED vecchio, illuminato da una torcia elettrica, mostra ai suoi capi una tensione nata dal nulla, come se la luce accendesse un pannellino dentro la sua goccia di plastica.

Lo zener è il diodo progettato per vivere in modo controllato proprio nella zona che brucia gli altri, dato che viene costruito con un drogaggio così deciso che la sua rottura inversa avviene a una tensione precisa e stabile, detta tensione di zener, che può valere da 3 volt a oltre 100 volt con potenze che partono da circa 400 milliwatt, come annota Neri nel suo manuale. Collegato in parallelo al carico dietro una resistenza, lo zener diventa un riferimento di tensione, perché appena la tensione prova a superare il suo valore lui conduce e la trattiene, e un calcolo raccontato in frase mostra il meccanismo, dato che con una batteria da 9 volt e uno zener da 5,1 volt la resistenza deve assorbire la differenza, cioè 3,9 volt, e scegliendo una resistenza da 470 ohm la corrente vale circa 8 milliampere, sufficienti per tenere ferma la tensione al punto giusto senza scaldare nessuno.

Conosciuto il diodo in tutte le sue vesti, torniamo alla promessa iniziale di dare una via alla corrente, perché il suo impiego più diffuso sta nella presa di casa, che eroga corrente alternata la cui tensione rovescia il proprio verso cinquanta volte al secondo, mentre pile e circuiti elettronici vogliono corrente continua che scorra in un unico verso con tenacia costante. Serve dunque un circuito che prenda l'onda alternata, con il suo valore medio nullo che scende tanto quanto sale, e consegni in uscita una grandezza dal valore medio non nullo, e i libri di elettronica chiamano questa operazione raddrizzamento, che è il cuore di ogni alimentatore che abbassi, sistemi e consegni la tensione di rete ai circuiti delicati.

Il raddrizzatore a semionda è il primo esempio e merita di essere seguito periodo per periodo, perché contiene tutta la logica degli schemi successivi. Un diodo in serie alla linea lascia passare la corrente soltanto quando la tensione dell'alternata è nel verso della polarizzazione diretta, così durante la semionda positiva il diodo conduce, la corrente attraversa il carico e la tensione ai suoi capi segue l'andamento dell'ingresso, mentre durante la semionda negativa il diodo si interdice, il flusso si ferma e sul carico resta silenzio, con il risultato che l'onda d'uscita è fatta di cupole positive alternate a vuoti, e la sua tensione media vale il picco diviso il numero pigreco, cioè circa 0,318 volte il picco, una resa modesta che spiega perché questo schema si usa soltanto dove la semplicità conta più dell'efficienza.

Il ponte di Graetz, dal nome dell'ingegnere che lo descrisse, raddrizza a onda intera piegando verso l'alto perfino le semionde negative, e lo fa con quattro diodi disposti a rombo intorno al carico, così che durante la semionda positiva conducono due diodi opposti del ponte e la corrente attraversa il carico in un verso, mentre durante la semionda negativa conducono gli altri due e la corrente attraversa lo stesso carico nello stesso verso, come un'autostrada a senso unico dove a turno si aprono corsie diverse. La tensione media sale a circa 0,637 volte il picco, le cupole d'uscita si fittano a metà distanza e il tutto esiste persino integrato in un unico componente a quattro piedini con i quattro diodi già saldati dentro, che troverai al banco degli esperimenti e dentro gli alimentatori veri.

L'onda raddrizzata scende ancora a zero tra una cupola e l'altra, e per livellarla serve il filtro, che nella sua forma più comune è un condensatore grosso messo in parallelo all'uscita, e il suo funzionamento somiglia a quello di un serbatoio che si riempia quando il livello del fiume sale e ceda acqua quando il fiume scende, così il condensatore si carica al picco della cupola e poi, mentre i diodi smettono di condurre, si scarica lentamente attraverso il carico mantenendo viva la tensione, e questo lascia in uscita un'ondulazione residua, chiamata ripple, fatta di piccoli denti di sega. Scegliere il valore è questione pratica, perché più corrente chiede il carico e più il serbatoio si svuota tra un picco e l'altro, e siccome con il ponte i picchi arrivano cento volte al secondo, essendo il doppio dei cinquanta hertz della rete, il calcolo raccontato in frase dice che 100 milliampere prelevati per 10 millisecondi con un condensatore da 470 microfarad lasciano cadere la tensione di circa 2 volt, così nella pratica si montano capacità da centinaia a migliaia di microfarad, elettrolitici con la polarità rispettata e la tensione di lavorio superiore a quella presente nel circuito.

Anche filtrato, l'alimentatore resta sensibile, perché la tensione scende se il carico chiede più corrente e ondeggia seguendo la rete, e per fissarla esistono due strade che conviene conoscere in ordine. La prima è la coppia zener più resistenza già raccontata, che tiene l'uscita piantata al valore dello zener per correnti modeste, ed è la soluzione didattica per eccellenza, e la seconda è il regolatore a tre terminali della famiglia settantotto, un piccolo integrato metallico di cui il 7805 è il membro più celebre perché regge i 5 volt, con il fratello 7812 che regge i 12, e il suo racconto piede per piede dice che il primo piedino riceve la tensione filtrata, il secondo divide la massa comune con il carico e il terzo eroga la tensione fissa, mentre dentro un circuito lo tiene dritto contro il vento di carichi e sbalzi, reggendo senza drammi correnti nell'ordine dell'ampere quando il corpo metallico dispensa il calore verso un dissipatore.

Mettere insieme i pezzi dà l'alimentatore completo, la piccola centrale che vive dentro ogni caricatore e dietro ogni scatoletta nera, e il suo viaggio dalla presa alla spina si racconta in quattro mosse che ti invito a memorizzare come una filastrocca, perché il trasformatore abbassa i 230 volt della rete a pochi volt sicuri, il ponte raddrizza l'onda alternata in cupole unidirezionali, il condensatore livella le cupole in una tensione quasi piatta e il regolatore fissa il valore finale con precisione da laboratorio. Aprendo un caricatore vero, cosa che faremo con cautela nella parte pratica, riconoscerai questi quattro protagonisti sullo stampato come attori in scena, e scoprirai che le scritte stampate vicino alla spina, tensione in ingresso e tensione in uscita con i rispettivi simboli, altro non sono che la firma della stessa filastrocca.

I diodi lavorano anche in vesti più umili, e due abitudini di progetto valgono la pena di essere raccolte ora perché ti seguiranno in ogni schema futuro. La prima è il diodo di ricircolo, posto in parallelo alla bobina di un relè e rivolto in modo da restare spento durante il funzionamento, perché quando il comando spegne la corrente la bobina, che è un induttore, si ribella e genera un picco di tensione per continuare a far scorrere la corrente, e il diodo le offre una via di scarico cortocircuitandola piano, proteggendo il transistor che comanda la bobina da una scintilla che altrimenti lo roderebbe ogni giorno. La seconda è il diodo di protezione montato in serie all'ingresso di un apparecchio, che conduce quando la polarità è giusta e interdice quando qualcuno confonde i poli, lasciando il circuito al buio anziché bruciato, e sono abitudini così diffuse che le trovi ormai dappertutto, dai giocattoli alle stampanti.

Prima di passare alle prove impariamo a riconoscere un diodo con il multimetro, perché la scala diodi, spesso nascosta dietro il simbolo della continuità, lo interroga come un medico. Mettendo la punta rossa sull'anodo e quella nera sul catodo, il display mostra la caduta diretta, circa 0,7 volt per un diodo al silicio, valore che da solo conferma il componente, mentre scambiando i puntali il diodo risponde fuori scala, con le lettere che segnalano la sovraccarico, ed è la doppia lettura, aperta in un verso e caduta nell'altro, a certificare la valvola di non ritorno. Conviene ripetere la prova su un LED, dove la lettura sale sopra i 2 volt e il componente, se la corrente del multimetro basta, si accende appena, raccontando con un numero visibile che la sua giunzione chiede più energia di quella del fratello che lavora nel buio.

La spiegazione fin qui è rimasta sulla carta, e la carta lascia un velo di nebbia finché le mani non prendono il multimetro, quindi appoggia la lettura e vieni a provare sei esperimenti, ordinati dal più semplice al più articolato, e tutti alimentati con batterie, perché la regola di sicurezza di questa pagina è una sola e vale per sempre, ed è che giochiamo soltanto con pile e alimentatori a spina a bassa tensione, lontano dalla presa di casa e dalle sue sorprese.

Il primo esperimento chiede soltanto il multimetro e un diodo recuperato da un vecchio alimentatore, e procede così, con il componente staccato da ogni circuito. Ruota il selettore sulla scala dei diodi, appoggia la punta rossa sull'anodo, riconoscibile grazie alla fascia dipinta che segna l'altro capo, e leggi la caduta, che dovrebbe aggirarsi tra 0,6 e 0,7 volt, poi scambia i puntali e verifica l'indicazione di sovraccarico, e ripeti infine la prova su un LED rosso, dove la lettura supera i 2 volt quando il componente riesce ad accendersi del tutto, e il piccolo bagliore conferma che il numero sul display descrive proprio la sua giunzione colorata.

Il secondo esperimento accende un LED rosso con una batteria da 9 volt, e comincia col calcolo, perché la batteria offre 9 volt mentre il LED ne vuole 2, la differenza di 7 volt deve essere assorbita da una resistenza di limitazione, e chiedendo una corrente di 15 milliampere si ottiene un valore di circa 470 ohm, da arrotondare al valore commerciale più vicino senza timori. Monta il circuito sulla breadboard oppure unendo i fili a mano, misura poi la tensione ai capi del LED acceso e verifica che il multimetro confermi i 2 volt dichiarati, e custodisci per sempre l'immagine di questa prova, perché una batteria, una resistenza e un LED sono il primo circuito che progetti davvero, e togliendo la resistenza per curiosità il LED si spegne per sempre in un lampo, il che insegna meglio di ogni discorso perché la limitazione esiste.

Il terzo esperimento dà un ruolo da protagonista allo zener, che puoi procurarti con la sigla da banco corrispondente a 5,1 volt, e il montaggio ripete lo schema raccontato nella teoria, cioè batteria da 9 volt, resistenza da 470 ohm e zener in parallelo col punto di misura, con il catodo rivolto verso il positivo della batteria. Misura la tensione ai capi dello zener e troverai circa 5 volt che restano immobili anche se sostituisci la batteria con una più scarica, perché finché sulla resistenza restano almeno pochi volt di margine lo zener continua a trattenere l'uscita al suo valore, e il gioco diventa suggestivo misurando di volta in volta la tensione della batteria, quella della resistenza e quella dello zener, e osservando come la somma delle ultime due riconsegni sempre il valore della prima, come un'addizione che non sbaglia mai.

Il quarto esperimento svela il fotodiodo nascosto in casa, perché prendi un LED rosso vecchio, lo infilzi nella breadboard e colleghi il multimetro in tensione continua direttamente ai suoi capi, senza batteria e senza resistenza, poi accendi la torcia elettrica e avvicinala alla punta trasparente del LED. Inizialmente il display segnerà qualcosa vicino allo zero, e avvicinando la torcia la tensione salirà con lentezza fino a valori che, con un LED generoso e la torcia quasi a contatto, possono superare il mezzo volt, ed è la giunzione che fa il percorso inverso raccontato nella teoria, trasformando i fotoni in coppie di cariche raccolte dal campo elettrico, e se possiedi un vero fotodiodo da preselezione la tensione sarà persino più generosa, fino a oltre 1 volt sotto una buona lampada.

Il quinto esperimento costruisce il ponte di Graetz con quattro diodi da recupero come gli 1N4007 e un condensatore da qualche centinaio di microfarad, e per la sorgente alternata hai due strade sicure, la prima con un trasformatore a spina da pochi volt recuperato da un vecchio modem o da un giocattolo, la seconda con la batteria alternata fatta a mano, dove un interruttore a due posizioni rovescia i poli della batteria avanti e indietro per imitare l'alternata. Misura con il multimetro in tensione continua la media ai capi del carico e troverai un valore positivo e stabile che il condensatore alza avvicinandosi al picco, poi passa alla scala di tensione alternata e osserva l'ondulazione residua, che il condensatore schiaccia da parecchi volt a poche decine di millivolt, e avrai davanti agli occhi, con mani tue, l'intera filastrocca del raddrizzamento piegata sul banco di lavoro.

Il sesto esperimento è un'esplorazione, e chiede un vecchio caricatore a bassa tensione da smontare, purché sia passato almeno un giorno intero dalla sua ultima spina nella presa, perché i grandi condensatori vicino all'ingresso trattengono carica pericolosa per ore e il lavoro si limita a guardare lo stampato senza toccare i componenti né avvicinare le dita alla zona della spina, visto che nella parte a monte dei condensatori la tensione di rete resta pronta a mordere anche a spina staccata. Se lo smontaggio ti spaventa, e la cautela resta un'ottima consigliera, puoi raggiungere lo stesso risultato cercando in rete le fotografie degli alimentatori smontati, dove riconoscerai il trasformatore come il cubo metallico più grosso, il ponte come il componente quadrato a quattro piedini o come quattro diodi in fila, il condensatore come il cilindro verticale con la calotta a croce e il regolatore come l'integrato con la linguetta metallica, e chiudendo il coperchio ripromettiti la regola della pagina, che i nostri esperimenti restano sempre a batteria.

Questa pagina attinge soprattutto al capitolo sul diodo a giunzione e ai paragrafi sui circuiti raddrizzatori del volume Fondamenti di elettronica analogica di Graffi e Gnudi, dove la caratteristica esponenziale e la soglia del silicio ricevono veste rigorosa, al capitolo sui tubi a vuoto, sui diodi a semiconduttore e sugli alimentatori del manuale Radiotecnica per radioamatori di Nerio Neri, che custodisce la voce del radiamatore artigiano, e al racconto dell'ENIAC nel libro Architettura dei calcolatori di Andrew S. Tanenbaum, dove le valvole termoioniche fanno da sfondo alla storia del calcolo, e ora che sai dare una via alla corrente e piegare la tensione della presa al servizio dei circuiti, il passo successivo ti mostra il componente che comanda il flusso con un segnale senza spendere corrente, il transistor, e puoi raggiungerlo da qui quando ti senti pronto.