Charakteristika diod, provedení a vlastnosti aplikace

Charakteristika diod, provedení a vlastnosti aplikace

V předchozím článku jsme začali zkoumat polovodičová dioda. V tomto článku se budeme zabývat vlastnostmi diod, jejich výhodami a nevýhodami, různými konstrukcemi a vlastnostmi použití v elektronických obvodech.

Proudová charakteristika diody

Proud-napěťová charakteristika (CVC) polovodičové diody je ukázána na obrázku 1.

Na jednom obrázku jsou znázorněny charakteristiky I - V germaniových (modrých) a křemíkových (černých) diod. Je snadné si všimnout, že vlastnosti jsou velmi podobné. Na souřadnicových osách nejsou žádná čísla, protože u různých typů diod se mohou významně lišit: výkonná dioda může projít stejnosměrným proudem několika desítek ampér, zatímco nízkoenergetický může přenášet pouze několik desítek nebo stovek miliampérů.

Existuje mnoho diod různých modelů a všechny mohou mít různé účely, i když jejich hlavním úkolem je hlavní vlastnost jednosměrný proud. Tato vlastnost umožňuje použití diod v usměrňovačích a detekčních zařízeních. Je však třeba poznamenat, že v současnosti se germaniové diody a tranzistory již nepoužívají.

Obrázek 1. Proudová charakteristika diody

Přímá větev CVC

Přímá větev charakteristiky je umístěna v prvním kvadrantu souřadnicového systému, když je dioda v přímém spojení, kladný výstup zdroje proudu nebo záporný výstup na katodu je připojen k anodě.

Jak se zvyšuje dopředné napětí Upr, začíná se také zvyšovat dopředný proud Ipr. Ale zatímco toto zvýšení je zanedbatelné, čára grafu mírně stoupá, napětí roste mnohem rychleji než proud. Jinými slovy, navzdory skutečnosti, že dioda je zapnuta ve směru vpřed, proud neprotéká, dioda je prakticky uzamčena.

Když je dosaženo určité úrovně napětí, objeví se charakteristika: napětí se prakticky nemění a proud rychle roste. Toto napětí se nazývá přímý pokles napětí přes diodu, na charakteristice se označuje jako Uд. Pro většinu moderních diod je toto napětí v rozsahu 0,5 ... 1V.

Obrázek ukazuje, že přímé napětí pro germaniovou diodu je o něco menší (0,3 ... 0,4 V) než pro křemík (0,7 ... 1,1 V). Pokud je stejnosměrný proud diodou násoben dopředným napětím, nebude výsledkem nic jiného než energie rozptýlená diodou Pd = Ud * I.

Pokud je tato síla překročena relativně přijatelná, může dojít k přehřátí a zničení p-n křižovatky. Proto je odkaz omezen na maximální dopředný prouda ne síla (věří se, že dopředné napětí je známé). K odstranění přebytečného tepla jsou na chladičích - radiátorech instalovány výkonné diody.

Energie rozptýlená diodou

Výše uvedené je vysvětleno na obr. 2, který ukazuje zahrnutí zátěže, v tomto případě žárovky, přes diodu.

Obrázek 2. Zapnutí zátěže diodou

Představte si, že jmenovité napětí baterie a žárovky je 4,5V. Při tomto zahrnutí 1V klesne na diodu, potom pouze 3,5 V dosáhne žárovky. Samozřejmě, že nikdo nebude prakticky shromažďovat takový obvod, to je jen pro ilustraci, jak a co přímé napětí na diodě ovlivňuje.

Předpokládejme, že žárovka omezila proud v obvodu na přesně 1A. To je pro snadnost výpočtu. Nebudeme také brát v úvahu skutečnost, že žárovka je nelineární prvek a nedodržuje Ohmův zákon (odpor spirály závisí na teplotě).

Je snadné spočítat, že při takových napětích a proudech dioda rozptyluje výkon P = Ud * I nebo 1V * 1A = 1W.Současně je výkon zátěže pouze 3,5 V * 1 A = 3,5 W. Ukazuje se, že více než 28 procent energie je zbytečně spotřebováno, více než čtvrtina.

Pokud je stejnosměrný proud diodou 10 ... 20A, pak bude až 20 W energie zbytečné! Má takovou moc malá páječka. V popsaném případě bude dioda taková páječka.

Schottkyho diody

Je zcela zřejmé, že se takových ztrát lze zbavit, pokud se sníží přímý pokles napětí přes diodu Ud. Tyto diody se nazývají schottkyho diody pojmenován po vynálezci německého fyzika Waltera Schottkyho. Místo p-n křižovatky, oni používají kov-polovodičová křižovatka. Tyto diody mají přímý pokles napětí 0,2 ... 0,4 V, což významně snižuje výkon uvolněný diodou.

Snad jedinou nevýhodou Schottkyho diod je nízké zpětné napětí - jen několik desítek voltů. Maximální hodnota zpětného napětí 250 V má průmyslový design MBR40250 a jeho analogy. Téměř všechny napájecí zdroje moderních elektronických zařízení mají usměrňovače na Schottkyho diodách.

Zadní větev CVC

Jednou z nevýhod by mělo být, že i když je dioda zapnuta v opačném směru, protéká jí zpětný proud, protože v přírodě neexistují ideální izolátory. V závislosti na modelu diody se může lišit od nanoampů po jednotky mikroamps.

Spolu s reverzním proudem je diodě přiděleno určité množství energie, numericky rovné součinu součinitele reverzního proudu a zpětného napětí. Pokud je tento výkon překročen, pak je možné přerušení p-n křižovatky, dioda se změní na konvenční odpor nebo dokonce na vodič. Na reverzní větvi charakteristiky I - V odpovídá tento bod ohybu charakteristiky dolů.

Adresáře obvykle neoznačují výkon, ale některé maximální přípustné reverzní napětí. Přibližně stejné jako omezení dopředného proudu, které bylo uvedeno výše.

Ve skutečnosti jsou to právě tyto dva parametry, jmenovitě stejnosměrný proud a zpětné napětí, které jsou určujícími faktory při výběru konkrétní diody. To je případ, kdy je dioda navržena pro provoz na nízké frekvenci, například usměrňovač napětí s frekvencí průmyslové sítě 50 ... 60 Hz.

Elektrická kapacita pn křižovatka

Při použití diod ve vysokofrekvenčních obvodech je třeba si uvědomit, že pn křižovatka, stejně jako kondenzátor, má elektrickou kapacitanci, která také závisí na napětí přivedeném na pn křižovatku. Tato vlastnost přechodu p-n se používá ve speciálních diodách - varicapech používaných k úpravě oscilačních obvodů v přijímačích. Toto je pravděpodobně jediný případ, kdy je tato kapacita využívána dobře.

V jiných případech má tato kapacita rušivý účinek, zpomaluje přepínání diody a snižuje její rychlost. Tato kapacita se často nazývá parazitární. Je to znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3. Rušivá kapacita

Návrh diod.

Ploché a bodové diody

Pro odstranění škodlivých účinků rozptylové kapacity se používají speciální vysokofrekvenční diody, například bodové. Konstrukce takové diody je znázorněna na obrázku 25.

Obrázek 4. Bodová dioda

Charakteristikou bodové diody je konstrukce jejích elektrod, z nichž jedna je kovová jehla. Během výrobního procesu se tato jehla obsahující nečistotu (donor nebo akceptor) roztaví do polovodičového krystalu, což vede k pn spojení požadované vodivosti. Takový přechod má malou plochu, a proto malou parazitní kapacitu. Díky tomu dosahuje provozní frekvence bodových diod několik set megahertzů.

V případě použití ostřejší jehly získané bez elektroformování může provozní frekvence dosáhnout několika desítek gigahertzů. Je pravda, že zpětné napětí takových diod není vyšší než 3 ... 5V a proud vpřed je omezen na několik miliampérů.Nakonec však tyto diody nejsou usměrňovačem, pro tyto účely se zpravidla používají rovinné diody. Zařízení rovinné diody je znázorněno na obrázku.

Obrázek 5. Rovinná dioda

Je snadno vidět, že taková dioda má spojovací oblast pn, která je mnohem větší než bodová. U silných diod může tato oblast dosáhnout až 100 nebo více čtverečních milimetrů, takže jejich stejnosměrný proud je mnohem větší než u bodových. Jsou to rovinné diody, které se používají v usměrňovačích pracujících na nízkých frekvencích, zpravidla ne více než několik desítek kilohertů.

Aplikace diod

Neměli byste si myslet, že diody se používají pouze jako usměrňovače a detektorová zařízení. Kromě toho existuje mnohem více jejich profesí. I - V charakteristika diod umožňuje jejich použití tam, kde je vyžadováno nelineární zpracování analogové signály.

Jedná se o frekvenční převodníky, logaritmické zesilovače, detektory a další zařízení. Diody v takových zařízeních se používají buď přímo jako převaděč, nebo vytvářejí charakteristiky zařízení, které jsou zahrnuty do obvodu zpětné vazby.

Diody se v široce používají stabilizované zdroje napájeníjako zdroje referenčního napětí (zenerovy diody) nebo jako přepínací prvky úložiště induktor (spínací regulátory napětí).

Pomocí diod je velmi snadné vytvořit omezovače signálu: dvě diody připojené v opačném směru slouží jako vynikající ochrana pro vstup zesilovače, například mikrofonu, před dodávkou zvýšené úrovně signálu.

Kromě uvedených zařízení jsou diody velmi často používány v signálních spínačích a také v logických zařízeních. Stačí si vzpomenout na logické operace AND, OR a jejich kombinace.

Jedna z odrůd diod je LED diody. Jakmile byly použity pouze jako indikátory v různých zařízeních. Nyní jsou všude a všude od nejjednodušších baterek po televizory s LED - podsvícení, je prostě nemožné si jich nevšimnout.

Boris Aladyshkin