ลักษณะของไดโอดการออกแบบและคุณสมบัติการใช้งาน

ลักษณะของไดโอดการออกแบบและคุณสมบัติการใช้งาน

ในบทความก่อนหน้าเราเริ่มสำรวจ ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์. ในบทความนี้เราจะพิจารณาคุณสมบัติของไดโอดข้อดีและข้อเสียการออกแบบและคุณสมบัติต่าง ๆ ของการใช้งานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

คุณสมบัติแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันของไดโอด

คุณสมบัติกระแสไฟฟ้าแรงดัน (CVC) ของไดโอดสารกึ่งตัวนำแสดงในรูปที่ 1

ในภาพนี้จะมีการแสดงคุณสมบัติ I - V ของเจอร์เมเนียม (สีน้ำเงิน) และซิลิคอน (สีดำ) มันง่ายที่จะสังเกตเห็นว่าลักษณะคล้ายกันมาก ไม่มีตัวเลขบนแกนพิกัดเนื่องจากไดโอดชนิดต่าง ๆ สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมีนัยสำคัญไดโอดอันทรงพลังสามารถส่งผ่านกระแสตรงจำนวนแอมแปร์หลายสิบตัวในขณะที่พลังงานต่ำสามารถส่งได้หลายสิบหรือหลายร้อย milliamps เท่านั้น

มีไดโอดมากมายหลายแบบและทุกคนสามารถมีจุดประสงค์ที่แตกต่างกันถึงแม้ว่างานหลักของพวกเขาคุณสมบัติหลักคือ การนำกระแสทางเดียว. มันเป็นคุณสมบัตินี้ที่ช่วยให้การใช้ไดโอดในวงจรเรียงกระแสและอุปกรณ์ตรวจจับ อย่างไรก็ตามควรสังเกตว่าปัจจุบันไดโอดเจอร์เมเนียมและทรานซิสเตอร์ไม่ได้ใช้งานอีกต่อไป

รูปที่ 1. คุณสมบัติของแรงดันไฟฟ้าของไดโอด

สาขาโดยตรงของ CVC

ในจตุภาคแรกของระบบพิกัดมีลักษณะเป็นเส้นตรงของลักษณะเมื่อไดโอดเชื่อมต่อโดยตรง - ขั้วบวกของแหล่งกระแสตามลำดับขั้วลบกับขั้วลบเชื่อมต่อกับขั้วบวก

เมื่อแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าเพิ่มขึ้นค่ากระแสไฟฟ้าไปข้างหน้า Ipr จะเริ่มเพิ่มขึ้นเช่นกัน แต่ในขณะที่การเพิ่มขึ้นนี้ไม่มีนัยสำคัญ แต่เส้นกราฟมีการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยแรงดันไฟฟ้าจะเติบโตเร็วกว่ากระแสไฟฟ้ามาก กล่าวอีกนัยหนึ่งถึงแม้ว่าความจริงที่ว่าไดโอดเปิดในทิศทางไปข้างหน้าไม่มีกระแสไหลผ่านมันไดโอดถูกล็อคจริง

เมื่อถึงระดับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดจะมีลักษณะหงิกงออยู่ที่ลักษณะ: แรงดันไฟฟ้าจะไม่เปลี่ยนแปลงและกระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แรงดันไฟฟ้านี้เรียกว่า แรงดันไฟฟ้าลดลงโดยตรงข้ามไดโอด, ในลักษณะที่ถูกกำหนดให้เป็นUд สำหรับไดโอดสมัยใหม่ส่วนใหญ่แรงดันไฟฟ้านี้อยู่ในช่วง 0.5 ... 1V

รูปแสดงให้เห็นว่าแรงดันไฟฟ้าโดยตรงสำหรับไดโอดเจอร์เมเนียมมีค่าน้อยกว่า (0.3 ... 0.4 V) น้อยกว่าซิลิคอน (0.7 ... 1.1 V) ถ้ากระแสตรงผ่านไดโอดถูกคูณด้วยแรงดันไปข้างหน้าผลลัพธ์จะไม่มีอะไรมากไปกว่ากำลังงานที่สูญเสียไปโดยไดโอด Pd = Ud * I

หากพลังนี้ค่อนข้างยอมรับได้ดังนั้นความร้อนสูงเกินไปและการทำลายของจุดแยก p-n สามารถเกิดขึ้นได้ นั่นคือเหตุผลที่การอ้างอิงถูก จำกัด กระแสสูงสุดไปข้างหน้าและไม่ใช่กำลังไฟฟ้า (เชื่อว่าแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าเป็นที่รู้จัก) เพื่อกำจัดความร้อนส่วนเกินไดโอดอันทรงพลังจะถูกติดตั้งบนแผงระบายความร้อน - หม้อน้ำ

กำลังงานลดลงโดยไดโอด

คำอธิบายข้างต้นได้อธิบายไว้ในรูปที่ 2 ซึ่งแสดงการรวมของโหลดในกรณีนี้คือหลอดไฟผ่านไดโอด

รูปที่ 2 การสลับโหลดผ่านไดโอด

ลองจินตนาการว่าแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่และหลอดไฟคือ 4.5V ด้วยการรวมนี้ 1V จะลดลงที่ไดโอดและ 3.5V เท่านั้นที่จะไปถึงหลอดไฟ แน่นอนว่าจะไม่มีใครรวบรวมวงจรดังกล่าวนี่เป็นเพียงเพื่อแสดงให้เห็นว่าแรงดันไฟฟ้าตรงที่ไดโอดมีผลต่ออะไรและอย่างไร

สมมติว่าหลอดไฟมีการ จำกัด กระแสในวงจรให้เท่ากับ 1A นี่คือเพื่อความสะดวกในการคำนวณ นอกจากนี้เราจะไม่คำนึงถึงความจริงที่ว่าหลอดไฟเป็นองค์ประกอบที่ไม่ใช่เชิงเส้นและไม่ปฏิบัติตามกฎของโอห์ม (ความต้านทานของเกลียวขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ)

มันง่ายที่จะคำนวณว่าแรงดันและกระแสดังกล่าวนั้นไดโอดจะกระจายพลังงาน P = Ud * I หรือ 1V * 1A = 1Wในเวลาเดียวกันกำลังไฟฟ้าเพียง 3.5V * 1A = 3.5W ปรากฎว่ามากกว่าร้อยละ 28 ของการใช้พลังงานอย่างไร้ประโยชน์มากกว่าหนึ่งในสี่

หากกระแสไฟตรงผ่านไดโอดคือ 10 ... 20A ดังนั้นพลังงานมากถึง 20W จะไร้ประโยชน์! มันมีพลังเช่นนั้น หัวแร้งขนาดเล็ก. ในกรณีที่อธิบายไดโอดจะเป็นหัวแร้ง

ไดโอด Schottky

เห็นได้ชัดว่าสามารถกำจัดการสูญเสียเช่นนี้ได้ถ้าแรงดันไฟฟ้าตกโดยตรงในไดโอด Ud ลดลง ไดโอดเหล่านี้เรียกว่า ไดโอด Schottky ตั้งชื่อตามนักประดิษฐ์ของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันวอลเตอร์ชอตกี้ แทนที่จะเป็นชุมทาง p-n พวกเขาใช้ชุมทางสารกึ่งตัวนำโลหะ ไดโอดเหล่านี้มีแรงดันไฟฟ้าตกโดยตรงที่ 0.2 ... 0.4V ซึ่งช่วยลดพลังงานที่ปล่อยออกมาจากไดโอดอย่างมีนัยสำคัญ

บางทีข้อเสียเปรียบของไดโอด Schottky เพียงอย่างเดียวคือแรงดันย้อนกลับต่ำ - เพียงไม่กี่สิบโวลต์ ค่าสูงสุดของแรงดันย้อนกลับของ 250V มีการออกแบบอุตสาหกรรม MBR40250 และแอนะล็อก แหล่งจ่ายไฟเกือบทั้งหมดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยมีวงจรเรียงกระแสบนไดโอด Schottky

สาขาย้อนกลับของ CVC

หนึ่งในข้อเสียควรพิจารณาว่าแม้เมื่อไดโอดเปิดในทิศทางตรงกันข้ามกระแสย้อนกลับไหลผ่านมันต่อไปเพราะไม่มีฉนวนในอุดมคติ ขึ้นอยู่กับรุ่นของไดโอดนั้นสามารถแตกต่างกันจาก nanoamps เป็นหน่วยของ microamps

เมื่อรวมกับกระแสย้อนกลับจะมีการจัดสรรกำลังไฟฟ้าจำนวนหนึ่งให้กับไดโอดซึ่งเท่ากับตัวเลขของผลิตภัณฑ์ของกระแสย้อนกลับและแรงดันย้อนกลับ หากพลังนี้มีมากเกินกว่าจะสามารถแยกส่วน p-n ได้ไดโอดจะกลายเป็นตัวต้านทานแบบเดิมหรือแม้กระทั่งตัวนำ ในสาขาย้อนกลับของลักษณะ I - V จุดนี้สอดคล้องกับส่วนโค้งของลักษณะลง

โดยทั่วไปแล้วไดเรกทอรีไม่ได้บ่งชี้ถึงพลังงาน แต่มีแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับสูงสุดที่อนุญาต ประมาณเหมือนกับข้อ จำกัด ปัจจุบันไปข้างหน้าซึ่งถูกกล่าวถึงข้างต้น

ที่จริงแล้วมันเป็นพารามิเตอร์ทั้งสองนี้คือกระแสตรงและแรงดันย้อนกลับซึ่งเป็นปัจจัยกำหนดเมื่อเลือกไดโอดเฉพาะ นี่เป็นกรณีที่ไดโอดถูกออกแบบมาให้ทำงานที่ความถี่ต่ำเช่นวงจรเรียงกระแสแรงดันไฟฟ้าที่มีความถี่ของเครือข่ายอุตสาหกรรม 50 ... 60 Hz

จุดแยกกำลังการผลิตไฟฟ้า pn

เมื่อใช้ไดโอดในวงจรความถี่สูงจำเป็นต้องจำไว้ว่าจุดแยก pn เช่นตัวเก็บประจุมีความจุไฟฟ้าซึ่งขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับจุดแยก pn คุณสมบัติของจุดแยก p-n นี้ใช้ในไดโอดพิเศษ - varicaps ที่ใช้ในการปรับวงจรออสซิลเลเตอร์ในเครื่องรับ นี่อาจเป็นกรณีเดียวเมื่อความสามารถนี้ถูกใช้เพื่อผลดี

ในกรณีอื่น ๆ ตัวเก็บประจุนี้มีผลต่อการรบกวนลดการสลับของไดโอดและลดความเร็วลง ความสามารถนี้มักเรียกว่ากาฝาก มันแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 ความจุปลอม

การออกแบบไดโอด

ไดโอดแบนและจุด

ในการกำจัดผลกระทบที่เป็นอันตรายของความจุจรจรจะใช้ไดโอดความถี่สูงพิเศษตัวอย่างเช่นจุดที่มีการใช้ การออกแบบไดโอดดังกล่าวแสดงในรูปที่ 25

รูปที่ 4 จุดไดโอด

คุณลักษณะของจุดไดโอดคือการออกแบบขั้วไฟฟ้าซึ่งหนึ่งในนั้นคือเข็มโลหะ ในระหว่างกระบวนการผลิตเข็มนี้ที่มีสิ่งเจือปน (ผู้บริจาคหรือตัวรับ) จะถูกหลอมเป็นคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ทำให้เกิดจุดเชื่อมต่อ pn ของค่าการนำไฟฟ้าที่ต้องการ การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวมีพื้นที่ขนาดเล็กและดังนั้นความจุจรจัดเล็ก ๆ ด้วยเหตุนี้ความถี่การทำงานของไดโอดจุดถึงหลายร้อยเมกะเฮิร์ตซ์

หากใช้เข็มที่คมชัดกว่าจะได้รับโดยไม่ต้องขึ้นรูปด้วยไฟฟ้าความถี่ในการใช้งานอาจสูงถึงหลายสิบกิกะเฮิร์ตซ์ จริงแรงดันย้อนกลับของไดโอดดังกล่าวไม่เกิน 3 ... 5V และกระแสไปข้างหน้าถูก จำกัด ไว้ที่มิลลิบิตไม่กี่แต่หลังจากทั้งหมดไดโอดเหล่านี้ไม่ได้เป็นวงจรเรียงกระแสเพื่อวัตถุประสงค์เหล่านี้ตามกฎจะใช้ไดโอดระนาบ อุปกรณ์ของไดโอดระนาบจะแสดงในรูป

รูปที่ 5 Planar diode

มันง่ายที่จะเห็นว่าไดโอดนั้นมีพื้นที่ชุมทาง pn ที่ใหญ่กว่าจุดหนึ่งมาก สำหรับไดโอดอันทรงพลังบริเวณนี้สามารถเข้าถึงได้ถึง 100 ตารางมิลลิเมตรขึ้นไปดังนั้นกระแสตรงของพวกมันจึงมากกว่าจุดที่กำหนด มันเป็นไดโอดระนาบที่ใช้ในวงจรเรียงกระแสที่ทำงานที่ความถี่ต่ำตามกฎไม่เกินหลายสิบกิโลเฮิร์ตซ์

แอพลิเคชันของไดโอด

คุณไม่ควรคิดว่าไดโอดจะใช้เป็นเพียงอุปกรณ์เรียงกระแสและอุปกรณ์ตรวจจับเท่านั้น นอกจากนี้ยังมีอาชีพอื่นอีกมากมาย คุณสมบัติ I - V ของไดโอดช่วยให้สามารถใช้งานได้เมื่อต้องการการประมวลผลแบบไม่เชิงเส้น สัญญาณอะนาล็อก.

เหล่านี้คือเครื่องแปลงความถี่เครื่องขยายเสียงลอการิทึมเครื่องตรวจจับและอุปกรณ์อื่น ๆ ไดโอดในอุปกรณ์ดังกล่าวจะใช้โดยตรงเป็นตัวแปลงหรือรูปแบบลักษณะของอุปกรณ์ที่ถูกรวมอยู่ในวงจรข้อเสนอแนะ

ไดโอดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายใน แหล่งจ่ายไฟที่มีความเสถียรเป็นแหล่งที่มาของแรงดันอ้างอิง (ซีเนอร์ไดโอด) หรือเป็นองค์ประกอบการสลับของการจัดเก็บ เหนี่ยวนำ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ).

การใช้ไดโอดนั้นง่ายมากในการสร้างตัว จำกัด สัญญาณ: ไดโอดสองตัวที่เชื่อมต่อในทิศทางตรงกันข้ามทำหน้าที่ป้องกันที่ยอดเยี่ยมสำหรับอินพุตของเครื่องขยายเสียงเช่นไมโครโฟนจากการเพิ่มระดับสัญญาณที่เพิ่มขึ้น

นอกจากอุปกรณ์ที่ระบุไว้แล้วไดโอดมักใช้ในสวิทช์สัญญาณเช่นเดียวกับในอุปกรณ์โลจิคัล มันก็เพียงพอที่จะเรียกคืนการดำเนินการทางตรรกะ AND, OR และการรวมกันของพวกเขา

หนึ่งในความหลากหลายของไดโอดคือ ไฟ LED. เมื่อพวกเขาถูกใช้เป็นตัวบ่งชี้ในอุปกรณ์ต่าง ๆ เท่านั้น ตอนนี้พวกเขาอยู่ทุกที่และทุกที่ตั้งแต่ไฟฉายที่ง่ายที่สุดไปจนถึงทีวีที่มีไฟ LED - แบ็คไลท์มันเป็นไปไม่ได้ที่จะไม่สังเกตเห็น

Boris Aladyshkin