Χαρακτηριστικά των διόδων, τα σχέδια και τα χαρακτηριστικά εφαρμογής

Χαρακτηριστικά των διόδων, τα σχέδια και τα χαρακτηριστικά εφαρμογής

Στο προηγούμενο άρθρο, ξεκινήσαμε να εξερευνούμε ημιαγωγού διόδου. Σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε τις ιδιότητες των διόδων, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους, διάφορα σχέδια και χαρακτηριστικά εφαρμογής σε ηλεκτρονικά κυκλώματα.

Χαρακτηριστικό ρεύματος τάσης της διόδου

Το χαρακτηριστικό ρεύμα-τάσης (CVC) μιας διόδου ημιαγωγού φαίνεται στο σχήμα 1.

Εδώ, σε ένα σχήμα, εμφανίζονται τα χαρακτηριστικά I-V των διόδων του γερμανού (μπλε) και του πυριτίου (μαύρου). Είναι εύκολο να παρατηρήσετε ότι τα χαρακτηριστικά είναι πολύ παρόμοια. Δεν υπάρχουν αριθμοί στους άξονες των συντεταγμένων, δεδομένου ότι για διαφορετικούς τύπους διόδων μπορούν να διαφέρουν σημαντικά: μια ισχυρή δίοδος μπορεί να περάσει ένα συνεχές ρεύμα αρκετών δεκάδων αμπέρ, ενώ ένα χαμηλής ισχύος μπορεί να μεταδώσει μόνο μερικές δεκάδες ή εκατοντάδες milliamps.

Υπάρχουν πάρα πολλές δίοδοι από διαφορετικά μοντέλα και όλα αυτά μπορούν να έχουν διαφορετικούς σκοπούς, αν και το βασικό τους καθήκον είναι η κύρια ιδιότητα μονής κατεύθυνσης ρεύματος. Αυτή είναι η ιδιότητα που επιτρέπει τη χρήση διόδων σε ανορθωτές και συσκευές ανίχνευσης. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι σήμερα δεν χρησιμοποιούνται πλέον διόδους γερμάνιου, καθώς και τρανζίστορ.

Εικόνα 1. Χαρακτηριστικό τάσης ρεύματος της διόδου

Ο άμεσος κλάδος της CVC

Στο πρώτο τεταρτημόριο του συστήματος συντεταγμένων υπάρχει ευθεία διακλάδωση του χαρακτηριστικού όταν η δίοδος είναι σε άμεση σύνδεση - ο θετικός ακροδέκτης της πηγής ρεύματος, αντίστοιχα ο αρνητικός τερματικός άξονας στην κάθοδο, συνδέεται με την άνοδο.

Καθώς αυξάνεται η τάση Upr προς τα εμπρός, αρχίζει να αυξάνεται και το Ipr προς τα εμπρός. Αλλά ενώ αυτή η αύξηση είναι ασήμαντη, η γραμμή γραφήματος έχει μια μικρή αύξηση, η τάση αυξάνεται πολύ πιο γρήγορα από το ρεύμα. Με άλλα λόγια, παρά το γεγονός ότι η δίοδος είναι ενεργοποιημένη προς τα εμπρός, δεν ρέει ρεύμα διαμέσου αυτής, η δίοδος είναι πρακτικά κλειδωμένη.

Όταν επιτευχθεί μια ορισμένη στάθμη τάσης, εμφανίζεται μια συστροφή στο χαρακτηριστικό: η τάση ουσιαστικά δεν αλλάζει και το ρεύμα αναπτύσσεται ταχέως. Αυτή η τάση ονομάζεται άμεση πτώση τάσης κατά μήκος της διόδου, στο χαρακτηριστικό αυτό ορίζεται ως Ud. Για τις περισσότερες σύγχρονες δίοδοι, αυτή η τάση κυμαίνεται από 0,5 ... 1V.

Το σχήμα δείχνει ότι η άμεση τάση για μια διόδου γερμανίου είναι ελαφρώς μικρότερη (0,3 ... 0,4 V) από ότι για ένα πυρίτιο (0,7 ... 1,1 V). Εάν το συνεχές ρεύμα μέσω της διόδου πολλαπλασιαστεί με την τάση προς τα εμπρός, τότε το αποτέλεσμα δεν θα είναι τίποτα παραπάνω από την ισχύ που διαχέεται από τη δίοδο Pd = Ud * I.

Εάν αυτή η ισχύς υπερβεί σχετικά αποδεκτή, τότε μπορεί να συμβεί υπερθέρμανση και καταστροφή της σύνδεσης ρ-η. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η αναφορά περιορίζεται σε μέγιστο προς τα εμπρός ρεύμακαι όχι δύναμη (πιστεύεται ότι η τάση προς τα εμπρός είναι γνωστή). Για να απομακρύνετε την υπερβολική θερμότητα, εγκαθίστανται ισχυρές δίοδοι στους ψύκτες θερμότητας - θερμαντικά σώματα.

Η ισχύς διαχέεται από τη δίοδο

Τα προαναφερθέντα επεξηγούνται στο Σχήμα 2, το οποίο δείχνει την ένταξη ενός φορτίου, στην περίπτωση αυτή ενός λαμπτήρα, μέσω μιας διόδου.

Σχήμα 2. Ενεργοποίηση του φορτίου μέσω της διόδου

Φανταστείτε ότι η ονομαστική τάση μιας μπαταρίας και ενός λαμπτήρα είναι 4,5V. Με αυτή τη συμπερίληψη, 1V σταγόνες στη δίοδο, τότε μόνο 3,5V θα φτάσει στη λάμπα. Φυσικά, κανείς δεν θα συλλέξει πρακτικά ένα τέτοιο κύκλωμα, αυτό είναι μόνο για να δείξει πώς και τι επηρεάζει η άμεση τάση στη δίοδο.

Ας υποθέσουμε ότι ο βολβός έχει περιορίσει το ρεύμα στο κύκλωμα ακριβώς 1Α. Αυτό είναι για ευκολία υπολογισμού. Επίσης, δεν θα λάβουμε υπόψη το γεγονός ότι ο βολβός είναι ένα στοιχείο μη γραμμικό και δεν υπακούει στον νόμο του Ohm (η αντίσταση της σπείρας εξαρτάται από τη θερμοκρασία).

Είναι εύκολο να υπολογίσετε ότι σε τέτοιες τάσεις και ρεύματα η δίοδος διαχέει την ισχύ P = Ud * I ή 1V * 1A = 1W.Ταυτόχρονα, η ισχύς φόρτισης είναι μόνο 3,5V * 1A = 3,5W. Αποδεικνύεται ότι περισσότερο από το 28% της ενέργειας καταναλώνεται άχρηστα, περισσότερο από το ένα τέταρτο.

Αν το συνεχές ρεύμα μέσω της διόδου είναι 10 ... 20Α, τότε μέχρι 20W ισχύς θα είναι άχρηστο! Έχει τέτοια δύναμη μικρό συγκολλητικό σίδερο. Στην περιγραφείσα περίπτωση, η δίοδος θα είναι ένας τέτοιος συγκολλητικός σίδηρος.

Schottky Diodes

Είναι προφανές ότι κάποιος μπορεί να απαλλαγεί από τέτοιες απώλειες εάν μειωθεί η άμεση πτώση τάσης κατά μήκος της διόδου Ud. Αυτές οι δίοδοι καλούνται σχοτικές δίοδοι που ονομάστηκε από τον εφευρέτη του γερμανικού φυσικού Walter Schottky. Αντί της διακλάδωσης p-n, χρησιμοποιούν τη σύνδεση μετάλλου-ημιαγωγού. Αυτές οι δίοδοι έχουν άμεση πτώση τάσης 0,2 ... 0,4V, η οποία μειώνει σημαντικά την ισχύ που απελευθερώνεται από τη δίοδο.

Ίσως το μόνο μειονέκτημα των διόδων Schottky είναι η χαμηλή αντίστροφη τάση - μόνο λίγες δεκάδες volts. Η μέγιστη τιμή της αντίστροφης τάσης των 250V έχει ένα βιομηχανικό σχέδιο MBR40250 και τα ανάλογα του. Σχεδόν όλες οι τροφοδοσίες του σύγχρονου ηλεκτρονικού εξοπλισμού έχουν ανορθωτές στις δίοδοι Schottky.

Ο ανάστροφος κλάδος του CVC

Ένα από τα μειονεκτήματα πρέπει να θεωρηθεί ότι ακόμη και όταν η δίοδος είναι ενεργοποιημένη προς την αντίθετη κατεύθυνση, το αντίστροφο ρεύμα ρέει διαμέσου της ούτως ή άλλως, επειδή δεν υπάρχουν ιδανικοί μονωτές στη φύση. Ανάλογα με το μοντέλο της διόδου, μπορεί να διαφέρει από nanoamps σε μονάδες microamps.

Μαζί με το αντίστροφο ρεύμα, μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας κατανέμεται στη δίοδο, αριθμητικά ίση με το προϊόν του αντιστρεπτού ρεύματος και της αντίστροφης τάσης. Σε περίπτωση υπέρβασης αυτής της ισχύος, τότε είναι δυνατή η διακοπή της σύνδεσης p-n, η δίοδος μετατρέπεται σε συμβατική αντίσταση ή ακόμα και σε αγωγό. Στον οπίσθιο κλάδο του χαρακτηριστικού I-V, αυτό το σημείο αντιστοιχεί στην κάμψη του χαρακτηριστικού κάτω.

Συνήθως, οι κατάλογοι δεν δείχνουν ισχύ αλλά κάποια μέγιστη αποδεκτή αντίστροφη τάση. Περίπου το ίδιο με τον εμπρόσθιο περιορισμό ρεύματος, ο οποίος αναφέρθηκε ακριβώς παραπάνω.

Στην πραγματικότητα συχνά είναι αυτές οι δύο παράμετροι, δηλαδή η συνεχής τάση και η αντίστροφη τάση, που είναι οι καθοριστικοί παράγοντες κατά την επιλογή μιας συγκεκριμένης δίοδος. Αυτό συμβαίνει όταν η δίοδος είναι σχεδιασμένη να λειτουργεί σε χαμηλή συχνότητα, για παράδειγμα, ανορθωτή τάσης με συχνότητα βιομηχανικού δικτύου 50 ... 60 Hz.

Ηλεκτρική χωρητικότητα pn

Όταν χρησιμοποιούμε διόδους σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας, πρέπει να θυμόμαστε ότι η σύνδεση pn, όπως ένας πυκνωτής, έχει μια ηλεκτρική χωρητικότητα, η οποία επίσης εξαρτάται από την τάση που εφαρμόζεται στην ένωση pn. Αυτή η ιδιότητα της διακλάδωσης p-n χρησιμοποιείται σε ειδικές διόδους - varicaps που χρησιμοποιούνται για την προσαρμογή των κυκλωμάτων ταλαντώσεων στους δέκτες. Αυτή είναι ίσως η μόνη περίπτωση κατά την οποία αυτή η χωρητικότητα χρησιμοποιείται για το καλό.

Σε άλλες περιπτώσεις, αυτή η χωρητικότητα έχει παρεμβατική επίδραση, επιβραδύνει την αλλαγή της διόδου και μειώνει την ταχύτητά της. Αυτή η ικανότητα συχνά ονομάζεται παρασιτική. Εμφανίζεται στο σχήμα 3.

Εικόνα 3. Ψευδής χωρητικότητα

Ο σχεδιασμός των διόδων.

Επίπεδη και σημειακή δίοδο

Για να απαλλαγούμε από τις βλαβερές συνέπειες της αδέσποτης χωρητικότητας, χρησιμοποιούνται ειδικές διόδους υψηλής συχνότητας, για παράδειγμα σημειακές. Ο σχεδιασμός μιας τέτοιας διόδου φαίνεται στο σχήμα 25.

Σχήμα 4. Δίοδος σημείου

Χαρακτηριστικό μιας σημειακής δίοδος είναι ο σχεδιασμός των ηλεκτροδίων του, ένα από τα οποία είναι μια μεταλλική βελόνα. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατασκευής, αυτή η βελόνα που περιέχει μια ακαθαρσία (δότης ή δέκτης) τήκεται σε κρυστάλλωμα ημιαγωγού, με αποτέλεσμα μια σύνδεση pn της απαιτούμενης αγωγιμότητας. Μια τέτοια μετάβαση έχει μια μικρή περιοχή, και επομένως μια μικρή αδέσμευτη χωρητικότητα. Λόγω αυτού, η συχνότητα εργασίας των σημείων διόδου φτάνει αρκετές εκατοντάδες megahertz.

Σε περίπτωση που χρησιμοποιείται ευκρινέστερη βελόνα, που λαμβάνεται χωρίς ηλεκτροδιαμόρφωση, η συχνότητα λειτουργίας μπορεί να φτάσει αρκετές δεκάδες gigahertz. Είναι αλήθεια ότι η αντίστροφη τάση τέτοιων διόδων δεν είναι μεγαλύτερη από 3 ... 5V, και το ρεύμα προς τα εμπρός περιορίζεται σε λίγα milliamps.Αλλά τελικά, αυτές οι δίοδοι δεν είναι ανορθωτής, για τους σκοπούς αυτούς, κατά κανόνα, χρησιμοποιούνται επίπεδες δίοδοι. Η συσκευή μιας επίπεδης δίοδος φαίνεται στο σχήμα.

Σχήμα 5. Δίοδος επίπεδης

Είναι εύκολο να δούμε ότι μια τέτοια δίοδος έχει μια περιοχή σύνδεσης pn που είναι πολύ μεγαλύτερη από ένα σημείο ένα. Για ισχυρές δίοδοι, αυτή η περιοχή μπορεί να φτάσει μέχρι και 100 ή περισσότερα τετραγωνικά χιλιοστά, οπότε το συνεχές ρεύμα τους είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό των σημειακών. Είναι επίπεδες δίοδοι που χρησιμοποιούνται σε ανορθωτές που λειτουργούν σε χαμηλές συχνότητες, κατά κανόνα, όχι περισσότερο από αρκετές δεκάδες kilohertz.

Εφαρμογή διόδων

Δεν πρέπει να πιστεύετε ότι οι δίοδοι χρησιμοποιούνται μόνο ως συσκευές ανορθωτή και ανιχνευτές. Επιπλέον, υπάρχουν πολλά περισσότερα από τα επαγγέλματά τους. Το χαρακτηριστικό I - V των διόδων επιτρέπει τη χρήση τους όπου απαιτείται μη γραμμική επεξεργασία αναλογικά σήματα.

Αυτοί είναι μετατροπείς συχνότητας, λογαριθμικοί ενισχυτές, ανιχνευτές και άλλες συσκευές. Οι δίοδοι σε τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται είτε απευθείας ως μετατροπέας, είτε σχηματίζουν τα χαρακτηριστικά της συσκευής, που περιλαμβάνονται στο κύκλωμα ανάδρασης.

Οι διόδους χρησιμοποιούνται ευρέως σταθεροποιημένων τροφοδοτικώνως πηγές τάσης αναφοράς (διόδους zener) ή ως στοιχεία μεταγωγής της αποθήκευσης επαγωγέα (ρυθμιστές τάσης μεταγωγής).

Χρησιμοποιώντας διόδους, είναι πολύ απλό να δημιουργηθούν περιοριστές σήματος: δύο διόδους συνδεδεμένες στην αντίθετη κατεύθυνση χρησιμεύουν ως εξαιρετική προστασία για την είσοδο ενός ενισχυτή, για παράδειγμα, ενός μικροφώνου, από την παροχή αυξημένου επιπέδου σήματος.

Εκτός από τις αναφερόμενες συσκευές, οι δίοδοι χρησιμοποιούνται πολύ συχνά σε διακόπτες σήματος, καθώς και σε λογικές συσκευές. Αρκεί να θυμηθούμε τις λογικές πράξεις AND, OR και τους συνδυασμούς τους.

Μία από τις ποικιλίες των διόδων είναι LEDs. Μόλις χρησιμοποιήθηκαν μόνο ως δείκτες σε διάφορες συσκευές. Τώρα είναι παντού και παντού από τους απλούστερους φακούς στις τηλεοράσεις με οπίσθιο φωτισμό LED, είναι απλά αδύνατο να μην τις παρατηρήσετε.

Μπόρις Αλαντίσκιν