Diožu raksturojums, dizains un pielietojuma pazīmes

Diožu raksturojums, dizains un pielietojuma pazīmes

Iepriekšējā rakstā mēs sākām izpētīt pusvadītāju diode. Šajā rakstā mēs apskatīsim diožu īpašības, to priekšrocības un trūkumus, dažādas konstrukcijas un pielietojuma pazīmes elektroniskajās shēmās.

Diodes strāvas-sprieguma raksturojums

Pusvadītāju diodes strāvas sprieguma raksturlielums (CVC) parādīts 1. attēlā.

Šeit vienā attēlā parādītas germānija (zilās) un silīcija (melnās) diožu I - V īpašības. Ir viegli pamanīt, ka īpašības ir ļoti līdzīgas. Koordinātu asīs nav skaitļu, jo dažāda veida diodēm tie var ievērojami atšķirties: jaudīga diode var caurlaist vairāku desmitu ampēru līdzstrāvu, savukārt mazjaudas diode var pārraidīt tikai vairākus desmitus vai simtus miliampēru.

Ir ļoti daudz dažādu modeļu diožu, un tām visām var būt dažādi mērķi, lai arī to galvenais uzdevums, galvenais īpašums ir vienvirziena strāvas vadīšana. Tas ir šis īpašums, kas ļauj diodes izmantot taisngrieži un detektoru ierīces. Tomēr jāņem vērā, ka šobrīd germānija diodes, kā arī tranzistori vairs netiek izmantoti.

1. attēls. Diodes strāvas sprieguma raksturojums

Tiešā CVC filiāle

Pirmajā koordinātu sistēmas kvadrantā ir raksturlieluma taisns atzarojums, kad diode ir tiešā savienojumā - strāvas avota pozitīvais spailis, attiecīgi negatīvs katoda spaile, ir savienots ar anodu.

Palielinoties priekšējam spriegumam Upr, sāk palielināties arī priekšējā strāva Ipr. Bet, lai gan šis pieaugums ir nenozīmīgs, grafika līnijai ir neliels kāpums, spriegums aug daudz ātrāk nekā pašreizējais. Citiem vārdiem sakot, neskatoties uz to, ka diode ir ieslēgta virzienā uz priekšu, caur to neplūst strāva, diode ir praktiski bloķēta.

Kad tiek sasniegts noteikts sprieguma līmenis, raksturlielumā parādās spriegums: spriegums praktiski nemainās, un strāva strauji pieaug. Šis spriegums tiek saukts tiešs sprieguma kritums pāri diodei, raksturlielumā apzīmēts kā Uд. Lielākajai daļai mūsdienu diožu šis spriegums ir diapazonā no 0,5 līdz 1 V.

Attēlā redzams, ka germānija diodes tiešais spriegums ir nedaudz mazāks (0,3 ... 0,4 V) nekā silīcija (0,7 ... 1,1 V). Ja tiešā strāva caur diodi tiek reizināta ar priekšējo spriegumu, rezultāts nebūs nekas cits kā diodes izkliedētā jauda Pd = Ud * I.

Ja šī jauda tiek pārsniegta samērā pieņemami, tad var notikt p-n krustojuma pārkaršana un iznīcināšana. Tieši tāpēc atsauce ir ierobežota ar maksimālā priekšējā strāvanevis jauda (tiek uzskatīts, ka ir zināms izejas spriegums). Lai noņemtu lieko siltumu, uz siltuma izlietnēm - radiatoriem tiek uzstādītas jaudīgas diodes.

Jaudu izkliedē diode

Iepriekš minētais ir izskaidrots 2. attēlā, kurā parādīta kravas, šajā gadījumā spuldzes, iekļaušana caur diodi.

2. attēls. Slodzes ieslēgšana caur diodi

Iedomājieties, ka akumulatora un spuldzes nominālais spriegums ir 4,5 V. Ar šo iekļaušanu diode pazeminās 1 V, tad spuldzi sasniegs tikai 3,5 V. Protams, neviens praktiski neievāc šādu ķēdi, tas ir tikai, lai parādītu, kā un ko ietekmē tiešais spriegums uz diodes.

Pieņemsim, ka spuldze ir ierobežojusi strāvu ķēdē līdz precīzi 1A. Tas ir paredzēts aprēķinu atvieglošanai. Mēs arī neņemsim vērā faktu, ka spuldze ir elements, kas nav lineārs, un nepakļaujas Ohma likumam (spirāles pretestība ir atkarīga no temperatūras).

Ir viegli aprēķināt, ka pie šādiem spriegumiem un strāvām diode izkliedē jaudu P = Ud * I vai 1V * 1A = 1W.Tajā pašā laikā slodzes jauda ir tikai 3,5 V * 1A = 3,5 W. Izrādās, ka vairāk nekā 28 procenti enerģijas tiek patērēti bezjēdzīgi, vairāk nekā ceturtdaļa.

Ja līdzstrāva caur diodi ir 10 ... 20A, tad līdz 20W jauda būs bezjēdzīga! Tam ir tāda vara mazs lodāmurs. Aprakstītajā gadījumā diode būs tāda lodāmurs.

Šotkas diodes

Ir pilnīgi acīmredzami, ka no šādiem zaudējumiem var atbrīvoties, ja tiek samazināts tiešais sprieguma kritums pāri diodei Ud. Šīs diodes sauc Schottky diodes nosaukts vācu fiziķa Valtera Šotka izgudrotāja vārdā. P-n krustojuma vietā viņi izmanto metāla pusvadītāju krustojumu. Šīm diodēm ir tiešs sprieguma kritums par 0,2 ... 0,4 V, kas ievērojami samazina diodes atbrīvoto jaudu.

Varbūt vienīgais Schottky diožu trūkums ir zemais reversais spriegums - tikai daži desmiti voltu. Apgrieztā sprieguma maksimālajai vērtībai 250V ir rūpnieciskā dizaina MBR40250 un tā analogi. Gandrīz visiem mūsdienu elektronisko iekārtu barošanas avotiem ir taisngrieži Šotkas diodēs.

CVC reversā filiāle

Viens no trūkumiem ir jāņem vērā, ka pat tad, kad diode tiek ieslēgta pretējā virzienā, pretējā strāva jebkurā gadījumā plūst caur to, jo dabā nav ideālu izolatoru. Atkarībā no diodes modeļa, tas var atšķirties no nanoampiem līdz mikroampu vienībām.

Kopā ar apgriezto strāvu diodei tiek piešķirta noteikta jaudas summa, skaitliski vienāda ar apgrieztā strāvas un apgrieztā sprieguma reizinājumu. Ja šī jauda tiek pārsniegta, tad ir iespējams p-n krustojuma sadalījums, diode pārvēršas par parasto rezistoru vai pat vadītāju. I - V raksturlīknes reversajā zarā šis punkts atbilst raksturlieluma liekumam uz leju.

Parasti katalogi nenorāda jaudu, bet dažus maksimāli pieļaujamos reverso spriegumu. Aptuveni tāds pats kā pašreizējais pašreizējais ierobežojums, kas tika minēts tieši iepriekš.

Patiesībā bieži vien šie divi parametri, proti, līdzstrāvas un reversais spriegums, ir noteicošie faktori, izvēloties konkrētu diodi. Tas attiecas uz gadījumiem, kad diode ir paredzēta darbībai zemā frekvencē, piemēram, sprieguma taisngriezis ar rūpnieciskā tīkla frekvenci 50 ... 60 Hz.

Elektriskās kapacitātes pn krustojums

Izmantojot diodes augstfrekvences ķēdēs, ir jāatceras, ka pn krustojumam, tāpat kā kondensatoram, ir elektriskā kapacitāte, kas ir atkarīga arī no sprieguma, kas tiek pielietots pn krustojumam. Šis p-n krustojuma īpašums tiek izmantots īpašās diodēs - varikātos, ko izmanto, lai pielāgotu uztvērēju svārstību shēmas. Tas, iespējams, ir vienīgais gadījums, kad šī jauda tiek izmantota uz labu.

Citos gadījumos šai kapacitātei ir traucējošs efekts, tā palēnina diodes pārslēgšanos un samazina tās ātrumu. Šo spēju bieži sauc par parazītu. Tas ir parādīts 3. attēlā.

3. attēls. Neīstā kapacitāte

Diožu dizains.

Plakanie un punktveida diodes

Lai atbrīvotos no klaiņojošās kapacitātes kaitīgās ietekmes, tiek izmantotas īpašas augstfrekvences diodes, piemēram, punktveida. Šādas diodes dizains ir parādīts 25. attēlā.

4. attēls. Punktu diode

Punktu diodes iezīme ir tā elektrodu dizains, no kuriem viens ir metāla adata. Ražošanas procesā šo adatu, kas satur piemaisījumus (donoru vai akceptoru), izkausē pusvadītāju kristālā, iegūstot vajadzīgās vadītspējas pn savienojumu. Šādai pārejai ir mazs laukums, un līdz ar to arī neliela parazitārā kapacitāte. Sakarā ar to punktu diožu darbības frekvence sasniedz vairākus simtus megahercu.

Ja tiek izmantota asāka adata, kas iegūta bez elektroformēšanas, darbības frekvence var sasniegt vairākus desmitus gigahercu. Tiesa, šādu diožu reversais spriegums nav lielāks par 3 ... 5V, un priekšējā strāva ir ierobežota līdz vairākiem miliampēriem.Bet galu galā šīs diodes nav taisngrieži, šajos nolūkos, kā likums, tiek izmantotas planētas diodes. Plaknes diodes ierīce ir parādīta attēlā.

5. attēls. Plakana diode

Ir viegli redzēt, ka šādai diodei ir pn savienojuma laukums, kas ir daudz lielāks nekā punkts. Jaudīgām diodēm šis laukums var sasniegt līdz 100 vai vairāk kvadrātmilimetriem, tāpēc to līdzstrāva ir daudz lielāka nekā punktveida. Taisngriežos, kas darbojas ar zemām frekvencēm, parasti tiek izmantotas planētas diodes, kā likums, ne vairāk kā vairāki desmiti kilohercu.

Diožu pielietojums

Jums nevajadzētu domāt, ka diodes tiek izmantotas tikai kā taisngrieža un detektora ierīces. Turklāt viņu profesiju ir daudz vairāk. Diodēm raksturīgais I - V ļauj tos izmantot tur, kur nepieciešama nelineāra apstrāde analogie signāli.

Tie ir frekvences pārveidotāji, logaritmiskie pastiprinātāji, detektori un citas ierīces. Diodes šādās ierīcēs tiek izmantotas vai nu tieši kā pārveidotāju, vai arī tās veido ierīces raksturlielumus, iekļaujot atgriezeniskās saites ķēdē.

Diodes tiek plaši izmantotas stabilizētas barošanas avotikā atsauces sprieguma avotus (Zener diodes) vai kā krātuves komutācijas elementus induktors (komutācijas sprieguma regulatori).

Izmantojot diodes, ir ļoti vienkārši izveidot signāla ierobežotājus: divas pretējā virzienā savienotas diodes kalpo kā lieliska pastiprinātāja, piemēram, mikrofona, ieejas aizsardzība no paaugstināta signāla līmeņa nodrošināšanas.

Papildus uzskaitītajām ierīcēm diodes ļoti bieži tiek izmantotas signālu slēdžos, kā arī loģiskajās ierīcēs. Pietiek atgādināt loģiskās operācijas AND, OR un to kombinācijas.

Viena no diožu šķirnēm ir Gaismas diodes. Savulaik tās tika izmantotas tikai kā indikatori dažādās ierīcēs. Tagad tie ir visur un visur, sākot no vienkāršākajām lukturītēm līdz televizoriem ar LED apgaismojumu, ir vienkārši neiespējami tos nepamanīt.

Boriss Aladyshkin