Características de los diodos, diseños y características de aplicación.

Características de los diodos, diseños y características de aplicación.

En el artículo anterior, comenzamos a explorar diodo semiconductor. En este artículo consideraremos las propiedades de los diodos, sus ventajas y desventajas, varios diseños y características de aplicación en circuitos electrónicos.

Característica corriente-voltaje del diodo

La característica de corriente-voltaje (CVC) de un diodo semiconductor se muestra en la Figura 1.

Aquí, en una figura, se muestran las características I - V de los diodos de germanio (azul) y silicio (negro). Es fácil notar que las características son muy similares. No hay números en los ejes de coordenadas, ya que para diferentes tipos de diodos pueden diferir significativamente: un diodo potente puede pasar una corriente continua de varias decenas de amperios, mientras que uno de baja potencia solo puede transmitir varias decenas o cientos de miliamperios.

Hay una gran cantidad de diodos de diferentes modelos, y todos ellos pueden tener diferentes propósitos, aunque su tarea principal, la propiedad principal es conducción de corriente unidireccional. Es esta propiedad la que permite el uso de diodos en rectificadores y dispositivos detectores. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que en la actualidad, los diodos de germanio, así como los transistores, ya no están en uso.

Figura 1. Característica de corriente-voltaje del diodo

La rama directa de la CVC

En el primer cuadrante del sistema de coordenadas, hay una rama recta de la característica cuando el diodo está en conexión directa: el terminal positivo de la fuente de corriente, respectivamente el terminal negativo al cátodo, está conectado al ánodo.

A medida que aumenta el voltaje directo Upr, la corriente directa Ipr también comienza a aumentar. Pero aunque este aumento es insignificante, la línea del gráfico tiene un ligero aumento, el voltaje crece mucho más rápido que la corriente. En otras palabras, a pesar del hecho de que el diodo se enciende hacia adelante, la corriente no fluye a través de él, el diodo está prácticamente bloqueado.

Cuando se alcanza un cierto nivel de voltaje, aparece un pliegue en la característica: el voltaje prácticamente no cambia y la corriente está creciendo rápidamente. Este voltaje se llama caída de tensión directa a través del diodo, en la característica se designa como Uд. Para la mayoría de los diodos modernos, este voltaje está en el rango de 0.5 ... 1V.

La figura muestra que el voltaje directo para un diodo de germanio es ligeramente menor (0.3 ... 0.4 V) que para un silicio (0.7 ... 1.1 V). Si la corriente continua a través del diodo se multiplica por el voltaje directo, entonces el resultado no será más que la potencia disipada por el diodo Pd = Ud * I.

Si se supera esta potencia relativamente aceptable, puede producirse un sobrecalentamiento y la destrucción de la unión p-n. Es por eso que la referencia se limita a corriente directa máximay no energía (se cree que se conoce el voltaje directo). Para eliminar el exceso de calor, se instalan diodos potentes en los disipadores de calor: radiadores.

Potencia disipada por diodo

Lo anterior se explica en la Figura 2, que muestra la inclusión de una carga, en este caso una bombilla, a través de un diodo.

Figura 2. Encendido de la carga a través del diodo

Imagine que el voltaje nominal de una batería y una bombilla es de 4.5V. Con esta inclusión, 1V caerá sobre el diodo, luego solo 3.5V alcanzarán la bombilla. Por supuesto, nadie prácticamente recolectará dicho circuito, esto es solo para ilustrar cómo y qué afecta el voltaje directo en el diodo.

Suponga que la bombilla ha limitado la corriente en el circuito a exactamente 1A. Esto es para facilitar el cálculo. Además, no tendremos en cuenta el hecho de que la bombilla es un elemento no lineal y no obedece la ley de Ohm (la resistencia de la espiral depende de la temperatura).

Es fácil calcular que a tales voltajes y corrientes el diodo disipa potencia P = Ud * I o 1V * 1A = 1W.Al mismo tiempo, la potencia de carga es de solo 3.5V * 1A = 3.5W. Resulta que más del 28 por ciento de la energía se consume inútilmente, más de una cuarta parte.

Si la corriente continua a través del diodo es de 10 ... 20A, ¡hasta 20W de potencia serán inútiles! Tiene tal poder pequeño soldador. En el caso descrito, el diodo será un soldador.

Diodos Schottky

Es bastante obvio que uno puede deshacerse de tales pérdidas si se reduce la caída de voltaje directo a través del diodo Ud. Estos diodos se llaman diodos schottky lleva el nombre del inventor del físico alemán Walter Schottky. En lugar de la unión p-n, utilizan la unión metal-semiconductor. Estos diodos tienen una caída de voltaje directa de 0.2 ... 0.4V, lo que reduce significativamente la potencia liberada por el diodo.

Quizás el único inconveniente de los diodos Schottky es el bajo voltaje inverso, solo unas pocas decenas de voltios. El valor máximo de la tensión inversa de 250V tiene un diseño industrial MBR40250 y sus análogos. Casi todas las fuentes de alimentación de los equipos electrónicos modernos tienen rectificadores en los diodos Schottky.

La rama inversa del CVC

Se debe considerar uno de los inconvenientes de que, incluso cuando el diodo se enciende en la dirección opuesta, la corriente inversa fluye a través de él de todos modos, porque no hay aislantes ideales en la naturaleza. Dependiendo del modelo del diodo, puede variar de nanoamperios a unidades de microamperios.

Junto con la corriente inversa, se asigna una cierta cantidad de energía al diodo, numéricamente igual al producto de la corriente inversa y el voltaje inverso. Si se excede esta potencia, entonces es posible una ruptura de la unión p-n, el diodo se convierte en una resistencia convencional o incluso en un conductor. En la rama inversa de la característica I - V, este punto corresponde a la curva de la característica hacia abajo.

Por lo general, los directorios no indican potencia, sino algo de voltaje inverso máximo permitido. Aproximadamente lo mismo que la limitación de corriente directa, que se mencionó anteriormente.

En realidad, estos dos parámetros, a saber, la corriente continua y el voltaje inverso, son los factores determinantes al elegir un diodo en particular. Este es el caso cuando el diodo está diseñado para funcionar a baja frecuencia, por ejemplo, un rectificador de voltaje con una frecuencia de una red industrial de 50 ... 60 Hz.

Capacitancia eléctrica unión pn

Cuando se usan diodos en circuitos de alta frecuencia, es necesario recordar que la unión pn, como un condensador, tiene una capacitancia eléctrica, que también depende del voltaje aplicado a la unión pn. Esta propiedad de la unión p-n se utiliza en diodos especiales: varicaps utilizados para ajustar los circuitos oscilatorios en los receptores. Este es probablemente el único caso cuando esta capacidad se utiliza para siempre.

En otros casos, esta capacitancia tiene un efecto interferente, ralentiza la conmutación del diodo, reduce su velocidad. Esta capacidad a menudo se llama parasitaria. Se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Capacitancia espuria

El diseño de los diodos.

Diodos planos y puntuales

Para deshacerse de los efectos nocivos de la capacitancia parásita, se utilizan diodos especiales de alta frecuencia, por ejemplo, los puntuales. El diseño de dicho diodo se muestra en la Figura 25.

Figura 4. Diodo puntual

Una característica de un diodo puntual es el diseño de sus electrodos, uno de los cuales es una aguja de metal. Durante el proceso de fabricación, esta aguja que contiene una impureza (donante o aceptor) se funde en un cristal semiconductor, lo que da como resultado una unión pn de la conductividad requerida. Tal transición tiene un área pequeña y, por lo tanto, una pequeña capacitancia parásita. Debido a esto, la frecuencia de trabajo de los diodos puntuales alcanza varios cientos de megahercios.

En caso de que se use una aguja más afilada, obtenida sin electroformado, la frecuencia de operación puede alcanzar varias decenas de gigahercios. Es cierto que el voltaje inverso de tales diodos no es más de 3 ... 5V, y la corriente directa está limitada a varios miliamperios.Pero después de todo, estos diodos no son rectificadores, para estos propósitos, como regla, se usan diodos planos. El dispositivo de un diodo plano se muestra en la figura.

Figura 5. Diodo plano

Es fácil ver que dicho diodo tiene un área de unión pn que es mucho más grande que un punto. Para diodos potentes, esta área puede alcanzar hasta 100 o más milímetros cuadrados, por lo que su corriente continua es mucho mayor que la de los puntuales. Son diodos planos que se utilizan en rectificadores que funcionan a bajas frecuencias, como regla, no más de varias decenas de kilohercios.

Aplicación de diodos

No debe pensar que los diodos se usan solo como dispositivos rectificadores y detectores. Además, hay muchas más de sus profesiones. La característica I - V de los diodos permite usarlos donde se requiere un procesamiento no lineal señales analógicas.

Estos son convertidores de frecuencia, amplificadores logarítmicos, detectores y otros dispositivos. Los diodos en tales dispositivos se usan directamente como un convertidor o forman las características del dispositivo, que se incluyen en el circuito de retroalimentación.

Los diodos son ampliamente utilizados en fuentes de alimentación estabilizadascomo fuentes de voltaje de referencia (diodos zener), o como elementos de conmutación del almacenamiento inductor (reguladores de voltaje de conmutación).

Usando diodos, es muy simple crear limitadores de señal: dos diodos conectados en la dirección opuesta sirven como una excelente protección para la entrada de un amplificador, por ejemplo, un micrófono, de suministrar un nivel de señal aumentado.

Además de los dispositivos enumerados, los diodos se usan muy a menudo en interruptores de señal, así como en dispositivos lógicos. Es suficiente recordar las operaciones lógicas AND, OR y sus combinaciones.

Una de las variedades de diodos son LEDs. Una vez se usaron solo como indicadores en varios dispositivos. Ahora están en todas partes y en todas partes, desde las linternas más simples hasta los televisores con luz de fondo LED, es simplemente imposible no notarlas.

Boris Aladyshkin