Характеристики на диоди, дизайн и характеристики на приложението

Характеристики на диоди, дизайн и характеристики на приложението

В предишната статия започнахме да изследваме полупроводников диод, В тази статия ще разгледаме свойствата на диодите, техните предимства и недостатъци, различни дизайни и характеристики на приложение в електронни схеми.

Токово напрежение характеристика на диода

Характеристиката на токовото напрежение (CVC) на полупроводников диод е показана на фигура 1.

Тук на една фигура са показани I - V характеристики на германиеви (сини) и силициеви (черни) диоди. Лесно е да забележите, че характеристиките са много сходни. На координатните оси няма числа, тъй като за различните видове диоди те могат да се различават значително: мощен диод може да предава постоянен ток от няколко десетки ампера, докато с ниска мощност може да предава само няколко десетки или стотици милиампери.

Има голям брой диоди от различни модели и всички те могат да имат различни цели, въпреки че основната им задача, основната собственост е еднопосочна токова проводимост, Именно това свойство позволява използването на диоди в токоизправители и детекторни устройства. Трябва обаче да се отбележи, че в момента германиевите диоди, както и транзисторите, вече не се използват.

Фигура 1. Характеристика на тока на напрежението на диода

Прекият клон на CVC

В първия квадрант на координатната система има прав клон на характеристиката, когато диодът е в пряка връзка - положителният терминал на източника на ток, съответно отрицателният терминал към катода, е свързан към анода.

С увеличаването на Upr напрежението в преден план, Ipr токът за преден ток също започва да се увеличава. Но докато това увеличение е незначително, графичната линия има леко покачване, напрежението нараства много по-бързо от тока. С други думи, въпреки факта, че диодът е включен в посока напред, токът не тече през него, диодът на практика е заключен.

Когато се достигне определено ниво на напрежение, на характеристиката се появява кик: напрежението на практика не се променя и токът бързо нараства. Това напрежение се нарича директен спад на напрежението през диода, върху характеристиката е обозначен като Uд. За повечето съвременни диоди това напрежение е в диапазона от 0,5 ... 1V.

Фигурата показва, че директното напрежение за германиев диод е малко по-малко (0,3 ... 0,4 V), отколкото за силиций (0,7 ... 1,1 V). Ако постоянният ток през диода се умножи по напрежението напред, тогава резултатът ще бъде нищо повече от мощността, разсеяна от диода Pd = Ud * I.

Ако тази мощност е надвишена относително приемливо, тогава може да възникне прегряване и разрушаване на p-n съединението. Ето защо препратката е ограничена до максимален преден тока не мощност (смята се, че напрежението за движение е известно). За да се отстрани излишната топлина, мощни диоди са инсталирани на радиатори - радиатори.

Мощност, разсеяна от диод

Горното е обяснено на фигура 2, която показва включването на товар, в случая електрическа крушка, чрез диод.

Фигура 2. Включване на товара през диода

Представете си, че номиналното напрежение на батерия и крушка е 4,5V. С това включване 1V пада върху диода, след това само 3.5V ще достигне крушката. Разбира се, никой няма да събере практически такава схема, това е само за да илюстрира как и какво влияе директното напрежение на диода.

Да приемем, че крушката е ограничила тока във веригата до точно 1А. Това е за улеснение на изчислението. Също така няма да вземем предвид факта, че крушката е елемент нелинеен и не се подчинява на закона на Ом (съпротивлението на спиралата зависи от температурата).

Лесно е да се изчисли, че при такива напрежения и токове диодът разсейва мощността P = Ud * I или 1V * 1A = 1W.В същото време мощността на натоварването е само 3,5V * 1A = 3,5W. Оказва се, че повече от 28 процента от енергията се изразходва безполезно, повече от една четвърт.

Ако постоянният ток през диода е 10 ... 20A, тогава мощността до 20W ще бъде безполезна! Той има такава сила малка поялник, В описания случай диодът ще бъде такъв поялник.

Диоди Шотки

Напълно очевидно е, че човек може да се отърве от такива загуби, ако директният спад на напрежението през диода Ud се намали. Тези диоди се наричат диоди на шчотки кръстен на изобретателя на немския физик Валтер Шотки. Вместо p-n разклонението те използват съединението метал-полупроводник. Тези диоди имат директен спад на напрежението от 0,2 ... 0,4 V, което значително намалява мощността, освободена от диода.

Може би единственият недостатък на диодите на Шотки е ниското обратно напрежение - само няколко десетки волта. Максималната стойност на обратното напрежение 250V има промишлен дизайн MBR40250 и неговите аналози. Почти всички захранващи устройства на съвременното електронно оборудване имат токоизправители на диодите на Шотки.

Обратният клон на CVC

Един от недостатъците трябва да се има предвид, че дори когато диодът е включен в обратна посока, обратният ток така или иначе тече през него, тъй като в природата няма идеални изолатори. В зависимост от модела на диода, той може да варира от наноампери до единици микроампер.

Заедно с обратния ток на диода се разпределя определено количество мощност, числено равна на произведението на обратния ток и обратното напрежение. Ако тази мощност е надвишена, тогава е възможно разбиване на p-n кръстовището, диодът се превръща в конвенционален резистор или дори проводник. На обратния клон на I - V характеристиката тази точка съответства на завоя на характеристиката надолу.

Обикновено директории не посочват мощност, а някакво максимално допустимо обратно напрежение. Приблизително същото като ограничението за ток в предния ток, което беше споменато малко по-горе.

Всъщност често тези два параметъра, а именно постоянният ток и обратното напрежение, са определящите фактори при избора на конкретен диод. Такъв е случаят, когато диодът е проектиран да работи с ниска честота, например изправител на напрежение с честота на индустриална мрежа от 50 ... 60 Hz.

Електрически капацитет pn кръстовище

Когато използвате диоди във високочестотни вериги, е необходимо да запомните, че pn съединението, подобно на кондензатор, има електрически капацитет, което също зависи от напрежението, приложено към pn съединението. Това свойство на p-n кръстовището се използва в специални диоди - варикапи, използвани за регулиране на осцилаторните вериги в приемниците. Това е може би единственият случай, когато този капацитет се използва за добро.

В други случаи този капацитет има смущаващ ефект, забавя превключването на диода и намалява скоростта му. Този капацитет често се нарича паразитен. Тя е показана на фигура 3.

Фигура 3. Лъжлив капацитет

Дизайнът на диодите.

Плоски и точкови диоди

За да се отървете от вредното въздействие на бездомния капацитет, се използват специални високочестотни диоди, например точкови. Дизайнът на такъв диод е показан на фигура 25.

Фигура 4. Точков диод

Характеристика на точков диод е дизайнът на неговите електроди, единият от които е метална игла. По време на производствения процес тази игла, съдържаща примес (донор или акцептор), се разтопява в полупроводников кристал, което води до pn преход с необходимата проводимост. Такъв преход има малка площ и, следователно, малка бездомна капацитет. Поради това работната честота на точковите диоди достига няколкостотин мегагерца.

В случай, че се използва по-остра игла, получена без електроформоване, работната честота може да достигне няколко десетки гигагерца. Вярно е, че обратното напрежение на такива диоди не е повече от 3 ... 5V, а токът в права посока е ограничен до няколко милиампеса.Но в края на краищата тези диоди не са изправители, за тези цели, като правило, се използват плоски диоди. Устройството на плосък диод е показано на фигурата.

Фигура 5. Плосък диод

Лесно е да се види, че такъв диод има зона на pn кръстовище, която е много по-голяма от точкова. При мощни диоди тази област може да достигне до 100 или повече квадратни милиметра, така че техният постоянен ток е много по-голям от този на точковите. Именно равнинните диоди се използват в токоизправители, работещи на ниски честоти, като правило не повече от няколко десетки килогерца.

Приложение на диоди

Не бива да мислите, че диодите се използват само като изправители и детекторни устройства. Освен това има още много техни професии. I - V характеристика на диодите позволява използването им там, където се изисква нелинейна обработка аналогови сигнали.

Това са честотни преобразуватели, логаритмични усилватели, детектори и други устройства. Диодите в такива устройства се използват или директно като преобразувател, или формират характеристиките на устройството, като са включени във веригата за обратна връзка.

Диодите са широко използвани във стабилизирани захранваниякато източници на референтно напрежение (ценерови диоди) или като превключващи елементи на съхранението индуктор (превключване на регулатори на напрежението).

С помощта на диоди е много лесно да се създадат ограничители на сигнали: два диода, свързани в обратна посока, служат като отлична защита за входа на усилвател, например микрофон, от подаване на повишено ниво на сигнала.

В допълнение към изброените устройства, диодите много често се използват в сигнални превключватели, както и в логически устройства. Достатъчно е да си припомним логическите операции AND, OR или техните комбинации.

Една от разновидностите на диодите са светодиоди, Веднъж те са били използвани само като индикатори в различни устройства. Сега те са навсякъде и навсякъде - от най-простите фенерчета до телевизорите с LED - подсветка, просто е невъзможно да не ги забележите.

Борис Аладишкин