Charakterystyka diod, konstrukcja i funkcje aplikacji

Charakterystyka diod, konstrukcja i funkcje aplikacji

W poprzednim artykule zaczęliśmy odkrywać dioda półprzewodnikowa. W tym artykule rozważymy właściwości diod, ich zalety i wady, różne konstrukcje i cechy zastosowania w obwodach elektronicznych.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody

Charakterystykę prądowo-napięciową (CVC) diody półprzewodnikowej pokazano na rysunku 1.

Tutaj, na jednym rysunku, przedstawiono charakterystykę I - V diod germanu (niebieskiego) i krzemu (czarnego). Łatwo zauważyć, że cechy są bardzo podobne. Na osiach współrzędnych nie ma liczb, ponieważ dla różnych rodzajów diod mogą się one znacznie różnić: mocna dioda może przepuszczać prąd stały o wartości kilkudziesięciu amperów, podczas gdy niska moc może przenosić tylko kilkadziesiąt lub setki miliamperów.

Istnieje wiele diod różnych modeli i wszystkie mogą mieć różne cele, chociaż ich głównym zadaniem, główną właściwością jest jednokierunkowe przewodzenie prądu. Ta właściwość pozwala na stosowanie diod w prostownikach i urządzeniach wykrywających. Należy jednak zauważyć, że obecnie diody germanowe, podobnie jak tranzystory, nie są już używane.

Rysunek 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody

Bezpośredni oddział CVC

W pierwszej ćwiartce układu współrzędnych występuje prosta gałąź charakterystyki, gdy dioda jest w bezpośrednim połączeniu - dodatni zacisk źródła prądu, odpowiednio ujemny zacisk do katody, jest podłączony do anody.

Wraz ze wzrostem napięcia przewodzenia Upr, prąd przewodzenia Ipr również zaczyna rosnąć. Ale chociaż wzrost ten jest nieznaczny, linia wykresu nieznacznie wzrasta, napięcie rośnie znacznie szybciej niż prąd. Innymi słowy, pomimo faktu, że dioda jest włączona w kierunku do przodu, nie przepływa przez nią prąd, dioda jest praktycznie zablokowana.

Po osiągnięciu pewnego poziomu napięcia na charakterystyce pojawia się załamanie: napięcie praktycznie się nie zmienia, a prąd gwałtownie rośnie. To napięcie jest nazywane bezpośredni spadek napięcia na diodzie, na charakterystyce jest oznaczony jako Uд. W przypadku większości nowoczesnych diod napięcie to mieści się w zakresie 0,5 ... 1 V.

Rysunek pokazuje, że napięcie stałe dla diody germanowej jest nieco niższe (0,3 ... 0,4 V) niż dla krzemu (0,7 ... 1,1 V). Jeśli prąd stały przez diodę zostanie pomnożony przez napięcie przewodzenia, wówczas wynikiem będzie nic więcej niż moc rozproszona przez diodę Pd = Ud * I.

Jeśli ta moc zostanie przekroczona względnie dopuszczalna, może wystąpić przegrzanie i zniszczenie złącza p-n. Dlatego odniesienie jest ograniczone do maksymalny prąd przewodzeniaa nie moc (uważa się, że znane jest napięcie przewodzenia). Aby usunąć nadmiar ciepła, mocne diody są instalowane na radiatorach - grzejnikach.

Moc rozpraszana przez diodę

Powyższe wyjaśniono na rycinie 2, która pokazuje włączenie obciążenia, w tym przypadku żarówki, przez diodę.

Rysunek 2. Włączanie obciążenia przez diodę

Wyobraź sobie, że napięcie znamionowe akumulatora i żarówki wynosi 4,5 V. Po włączeniu 1 V spada na diodę, a następnie tylko 3,5 V dotrze do żarówki. Oczywiście, nikt praktycznie nie zbiera takiego obwodu, to tylko w celu zilustrowania, jak i na co wpływa napięcie bezpośrednie na diodzie.

Załóżmy, że żarówka ograniczyła prąd w obwodzie do dokładnie 1A. Ma to na celu ułatwienie obliczeń. Nie będziemy również brać pod uwagę faktu, że żarówka jest elementem nieliniowym i nie przestrzega prawa Ohma (rezystancja spirali zależy od temperatury).

Łatwo obliczyć, że przy takich napięciach i prądach moc P = Ud * I lub 1 V * 1A = 1 W jest rozpraszana na diodzie.Jednocześnie moc obciążenia wynosi tylko 3,5 V * 1 A = 3,5 W. Okazuje się, że ponad 28 procent energii jest zużywane bezużytecznie, ponad jedna czwarta.

Jeśli prąd stały przez diodę wynosi 10 ... 20 A, wówczas do 20 W mocy będzie bezużyteczne! Ma taką moc mała lutownica. W opisanym przypadku dioda będzie taką lutownicą.

Diody Schottky'ego

Oczywistym jest, że takich strat można się pozbyć, jeśli zmniejszy się bezpośredni spadek napięcia na diodzie Ud. Te diody są nazywane diody Schottky'ego nazwany na cześć wynalazcy niemieckiego fizyka Waltera Schottky'ego. Zamiast złącza p-n używają połączenia metal-półprzewodnik. Te diody mają bezpośredni spadek napięcia 0,2 ... 0,4 V, co znacznie zmniejsza moc uwalnianą przez diodę.

Być może jedyną wadą diod Schottky'ego jest niskie napięcie wsteczne - zaledwie kilkadziesiąt woltów. Maksymalna wartość napięcia wstecznego 250 V ma konstrukcję przemysłową MBR40250 i jej analogi. Prawie wszystkie zasilacze nowoczesnego sprzętu elektronicznego mają prostowniki na diodach Schottky'ego.

Odwrotna gałąź CVC

Jedną z wad należy wziąć pod uwagę, że nawet gdy dioda jest włączona w przeciwnym kierunku, prąd zwrotny i tak przez nią przepływa, ponieważ z natury nie ma idealnych izolatorów. W zależności od modelu diody może ona różnić się od nanoamperów do jednostek mikroamperów.

Wraz z prądem wstecznym pewna ilość mocy jest przydzielana diodzie, liczbowo równa iloczynowi prądu wstecznego i napięcia wstecznego. Jeśli ta moc zostanie przekroczona, wówczas możliwe jest uszkodzenie złącza p-n, dioda zamienia się w konwencjonalny opornik, a nawet przewodnik. Na odwrotnej gałęzi charakterystyki I - V punkt ten odpowiada zgięciu charakterystyki w dół.

Zazwyczaj katalogi nie wskazują mocy, ale pewne maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne. W przybliżeniu to samo, co ograniczenie prądu przewodzenia, o którym wspomniano tuż powyżej.

W rzeczywistości często te dwa parametry, a mianowicie prąd stały i napięcie wsteczne, są czynnikami decydującymi przy wyborze konkretnej diody. Jest tak w przypadku, gdy dioda jest zaprojektowana do pracy z niską częstotliwością, na przykład prostownikiem napięciowym o częstotliwości sieci przemysłowej 50 ... 60 Hz.

Złącze pn pojemności elektrycznej

Podczas stosowania diod w obwodach wysokiej częstotliwości należy pamiętać, że złącze pn, podobnie jak kondensator, ma pojemność elektryczną, która zależy również od napięcia przyłożonego do złącza pn. Ta właściwość złącza p-n jest wykorzystywana w specjalnych diodach - varicaps służących do regulacji obwodów oscylacyjnych w odbiornikach. Jest to prawdopodobnie jedyny przypadek, gdy ta pojemność jest wykorzystywana na dobre.

W innych przypadkach ta pojemność ma działanie zakłócające, spowalnia przełączanie diody i zmniejsza jej prędkość. Ta zdolność jest często nazywana pasożytniczą. Pokazano to na rysunku 3.

Ryc. 3. Niepożądana pojemność

Konstrukcja diod.

Diody płaskie i punktowe

Aby pozbyć się szkodliwych skutków błądzącej pojemności, stosuje się specjalne diody wysokiej częstotliwości, na przykład punktowe. Konstrukcja takiej diody pokazano na rysunku 25.

Rysunek 4. Dioda punktowa

Cechą diody punktowej jest konstrukcja jej elektrod, z których jedną jest metalowa igła. Podczas procesu produkcyjnego igła zawierająca zanieczyszczenie (donor lub akceptor) jest topiona w krysztale półprzewodnikowym, co powoduje połączenie pn wymaganej przewodności. Takie przejście ma mały obszar, a zatem małą pojemność błądzącą. Z tego powodu częstotliwość robocza diod punktowych sięga kilkuset megaherców.

W przypadku użycia ostrzejszej igły uzyskanej bez formowania elektrycznego częstotliwość robocza może osiągnąć kilkadziesiąt gigaherców. To prawda, że ​​napięcie wsteczne takich diod wynosi nie więcej niż 3 ... 5 V, a prąd przewodzenia jest ograniczony do kilku miliamperów.Ale przecież te diody nie są prostownikami, do tych celów z reguły stosuje się diody płaskie. Urządzenie płaskiej diody pokazano na rysunku.

Rysunek 5. Dioda planarna

Łatwo zauważyć, że taka dioda ma obszar złącza pn, który jest znacznie większy niż punktowy. W przypadku diod mocnych obszar ten może osiągnąć do 100 lub więcej milimetrów kwadratowych, więc ich prąd stały jest znacznie większy niż prąd punktowy. To płaskie diody są stosowane w prostownikach pracujących z niskimi częstotliwościami, z reguły nie więcej niż kilkadziesiąt kiloherców.

Zastosowanie diod

Nie należy myśleć, że diody są używane tylko jako prostowniki i urządzenia wykrywające. Ponadto istnieje wiele innych zawodów. Charakterystyka I - V diod pozwala na stosowanie ich tam, gdzie wymagane jest przetwarzanie nieliniowe sygnały analogowe.

Są to przetworniki częstotliwości, wzmacniacze logarytmiczne, detektory i inne urządzenia. Diody w takich urządzeniach są wykorzystywane albo bezpośrednio jako konwerter, albo tworzą charakterystykę urządzenia, wchodząc w obwód sprzężenia zwrotnego.

Diody są szeroko stosowane w stabilizowane zasilaczejako źródła napięcia odniesienia (diody Zenera) lub jako elementy przełączające magazynu induktor (przełączające regulatory napięcia).

Za pomocą diod bardzo łatwo jest stworzyć ograniczniki sygnału: dwie diody połączone w przeciwnych kierunkach służą jako doskonała ochrona wejścia wzmacniacza, na przykład mikrofonu, przed dostarczeniem podwyższonego poziomu sygnału.

Oprócz wymienionych urządzeń diody są bardzo często stosowane w przełącznikach sygnałów, a także w urządzeniach logicznych. Wystarczy przywołać logiczne operacje AND, OR i ich kombinacje.

Jedną z odmian diod jest Diody LED. Kiedyś były one używane tylko jako wskaźniki w różnych urządzeniach. Teraz są wszędzie i od najprostszych latarek po telewizory z podświetleniem LED - po prostu nie można ich nie zauważyć.

Boris Aladyshkin