Diodien ominaisuudet, mallit ja sovellusominaisuudet

Diodien ominaisuudet, mallit ja sovellusominaisuudet

Edellisessä artikkelissa aloitimme tutkimuksen puolijohdediodi. Tässä artikkelissa tarkastellaan diodien ominaisuuksia, etuja ja haittoja, erilaisia ​​malleja ja sovellusominaisuuksia sähköisissä piireissä.

Diodin virta-jänniteominaisuudet

Puolijohdediodin virta-jänniteominaisuudet (CVC) on esitetty kuvassa 1.

Yhdessä kuviossa esitetään germanium (sininen) ja pii (musta) diodien I - V ominaisuudet. On helppo huomata, että ominaisuudet ovat hyvin samankaltaisia. Koordinaattiakseleilla ei ole numeroita, koska erityyppisissä diodeissa ne voivat vaihdella huomattavasti: voimakas diodi voi siirtää useiden kymmenien ampeerien tasavirran, kun taas pienitehoinen diodi voi lähettää vain useita kymmeniä tai satoja milliampeereja.

On olemassa erittäin monia diodeja, eri malleja, ja kaikilla niillä voi olla eri käyttötarkoitukset, vaikka niiden päätehtävä, pääominaisuus on yksisuuntainen virranjohtavuus. Juuri tämä ominaisuus sallii diodien käytön tasasuuntaajissa ja ilmaisinlaitteissa. On kuitenkin huomattava, että tällä hetkellä germaniumdiodeja, samoin kuin transistoreita, ei enää käytetä.

Kuva 1. Diodin virta-jänniteominaisuudet

CVC: n suora haara

Ominaisuuden suora haara sijaitsee koordinaattijärjestelmän ensimmäisessä kvadrantissa, kun diodi on suorassa yhteydessä, virran lähteen positiivinen lähtö tai katodin negatiivinen lähtö kytketään anodiin.

Kun lähtöjännite Upr kasvaa, tasavirta Ipr alkaa kasvaa. Mutta vaikka tämä kasvu on merkityksetöntä, kuvaajaviivalla on nousu hieman, jännite kasvaa paljon nopeammin kuin virta. Toisin sanoen, huolimatta siitä, että diodi on kytketty päälle eteenpäin, virta ei virtaa sen läpi, diodi on käytännössä lukittu.

Kun tietty jännitetaso on saavutettu, ominaisuuteen ilmestyy kink: jännite käytännössä ei muutu ja virta kasvaa nopeasti. Tätä jännitettä kutsutaan suora jännitteen pudotus diodin poikki, ominaisuudelle on merkitty Uд. Useimmissa nykyaikaisissa diodeissa tämä jännite on alueella 0,5 ... 1 V.

Kuvio osoittaa, että germaniumdiodin suora jännite on hiukan vähemmän (0,3 ... 0,4 V) kuin piillä (0,7 ... 1,1 V). Jos diodin läpi kulkeva tasavirta kerrotaan lähtöjännitteellä, tuloksena ei ole muuta kuin diodin käyttämä teho Pd = Ud * I.

Jos tämä teho ylitetään suhteellisen hyväksyttävällä tavalla, p-n-liitoksen ylikuumeneminen ja tuhoutuminen voi tapahtua. Siksi viittaus on rajoitettu suurin eteenpäinvirtaeikä virta (uskotaan, että lähtöjännite tunnetaan). Ylimääräisen lämmön poistamiseksi jäähdytyselementteihin - pattereihin - asennetaan voimakkaita diodeja.

Voima diodin avulla

Edellä selitetään kuviossa 2, joka osoittaa kuorman, tässä tapauksessa lampun, sisällyttämisen diodin läpi.

Kuva 2. Kuorman kytkeminen päälle diodin kautta

Kuvittele, että akun ja lampun nimellisjännite on 4,5 V. Tämän sisällyttämisen myötä 1 V putoaa diodiin, sitten vain 3,5 V saavuttaa polttimon. Tietysti kukaan ei käytännössä kerää tällaista piiriä, tämä on vain havainnollistaa kuinka ja mihin diodin suora jännite vaikuttaa.

Oletetaan, että polttimo on rajoittanut virran piirissä tarkalleen 1A. Tämä on laskennan helpottamiseksi. Emme myöskään ota huomioon sitä tosiseikkaa, että lamppu on epälineaarinen elementti eikä noudata Ohmin lakia (spiraalin vastus riippuu lämpötilasta).

On helppo laskea, että tällaisilla jännitteillä ja virroilla diodi hajottaa tehon P = Ud * I tai 1V * 1A = 1W.Samanaikaisesti kuormateho on vain 3,5 V * 1A = 3,5 W. Osoittautuu, että yli 28 prosenttia energiasta kulutetaan turhaan, yli neljännes.

Jos tasavirta diodin läpi on 10 ... 20A, niin jopa 20W virta on hyödytöntä! Sillä on sellainen voima pieni juotin. Selostetussa tapauksessa diodi on sellainen juotin.

Schottky-diodit

On aivan selvää, että sellaisista häviöistä voidaan päästä eroon, jos suora jännitteen pudotus diodin Ud poikki pienenee. Näitä diodeja kutsutaan Schottky-diodit nimetty saksalaisen fyysikon Walter Schottky keksijän mukaan. P-n-liitoksen sijasta he käyttävät metalli-puolijohde-liitosta. Näiden diodien suora jännitehäviö on 0,2 ... 0,4 V, mikä vähentää merkittävästi diodin vapauttamaa tehoa.

Ehkä ainoa Schottky-diodien haitta on pieni käänteinen jännite - vain muutama kymmenen volttia. Käänteisen jännitteen enimmäisarvo 250 V on teollisuusmalli MBR40250 ja sen analogit. Lähes kaikissa nykyaikaisten elektronisten laitteiden virtalähteissä on tasasuuntaajat Schottky-diodeissa.

CVC: n käänteinen haara

Yksi haitoista on otettava huomioon, että jopa kun diodi kytketään päälle vastakkaiseen suuntaan, käänteinen virta kulkee joka tapauksessa sen läpi, koska luonnossa ei ole ihanteellisia eristimiä. Diodin mallista riippuen, se voi vaihdella nanoampedeista mikroamppien yksiköihin.

Yhdessä käänteisvirran kanssa diodille osoitetaan tietty määrä tehoa, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin vastavirran ja vastajännitteen tulo. Jos tämä teho ylitetään, p-n-liitoksen hajoaminen on mahdollista, diodi muuttuu tavanomaiseksi vastukseksi tai jopa johtimeksi. I - V-ominaisuuden kääntöhaarassa tämä kohta vastaa ominaisuuden taipumista alaspäin.

Tyypillisesti hakemistot eivät osoita virtaa, mutta jotkut suurimmasta sallitusta käänteisjännitteestä. Noin sama kuin tulevaisuuden virranrajoitus, joka mainittiin juuri edellä.

Oikeastaan ​​usein nämä kaksi parametria, nimittäin tasavirta ja käänteinen jännite, ovat määrääviä tekijöitä valittaessa tiettyä diodia. Näin on silloin, kun diodi on suunniteltu toimimaan matalalla taajuudella, esimerkiksi jännitesuuntaaja, jonka teollisuusverkon taajuus on 50 ... 60 Hz.

Sähkökapasitanssin pn-liitos

Kun käytetään diodeja korkeataajuuksisissa piireissä, on välttämätöntä muistaa, että pn-liitoskohdassa, kuten kondensaattorissa, on sähkökapasitanssi, joka riippuu myös pn-liittymään syötetystä jännitteestä. Tätä p-n-liitoksen ominaisuutta käytetään erityisdiodeissa - varikapeissa, joita käytetään viritinvahvistimen värähtelypiirien säätämiseen. Tämä on luultavasti ainoa tapaus, kun tätä kapasiteettia käytetään hyväksi.

Muissa tapauksissa tällä kapasitanssilla on häiritsevä vaikutus, hidastaa diodin vaihtamista ja vähentää sen nopeutta. Tätä kapasiteettia kutsutaan usein loistaudiksi. Se on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3. Väärä kapasitanssi

Diodien suunnittelu.

Litteät ja pistediodit

Hajakapasitanssin haitallisista vaikutuksista pääsee eroon käyttämällä erityisiä korkeataajuisia diodeja, esimerkiksi pistepisteitä. Tällaisen diodin rakenne on esitetty kuviossa 25.

Kuva 4. Pistediodi

Pistediodin piirre on sen elektrodien suunnittelu, joista yksi on metallineula. Valmistusprosessin aikana tämä epäpuhtautta (luovuttaja tai vastaanottaja) sisältävä neula sulatetaan puolijohdekiteeksi, mikä johtaa vaadittavan johtavuuden pn-liittymään. Tällaisella muutoksella on pieni alue ja siten pieni hajakapasitanssi. Tästä johtuen pistediodien toimintataajuus saavuttaa useita satoja megahertsejä.

Jos käytetään terävämpää neulaa, joka saadaan ilman sähkömuotoilua, toimintataajuus voi olla useita kymmeniä gigahertsejä. Totta, sellaisten diodien käänteisjännite on enintään 3 ... 5 V, ja lähtövirta on rajoitettu useisiin milliamppeihin.Mutta loppujen lopuksi nämä diodit eivät ole tasasuuntaajia, näihin tarkoituksiin käytetään yleensä tasomaisia ​​diodeja. Tasomaisen diodin laite on esitetty kuvassa.

Kuva 5. Tasomainen diodi

On helppo nähdä, että sellaisella diodilla on pn-liitosalue, joka on paljon suurempi kuin pistekohtainen. Voimakkaiden diodien kohdalla tämä pinta-ala voi olla jopa 100 tai enemmän neliön millimetriä, joten niiden tasavirta on paljon suurempi kuin pisteiden. Tasasuuntaisia ​​diodeja käytetään tasasuuntaajissa, jotka toimivat alhaisilla taajuuksilla, yleensä enintään useita kymmeniä kilohertsejä.

Diodien käyttö

Sinun ei pitäisi ajatella, että diodeja käytetään vain tasasuuntaajina ja ilmaisinlaitteina. Lisäksi heidän ammattejaan on paljon enemmän. Diodien I - V-ominaisuus sallii niiden käytön missä epälineaarinen käsittely vaaditaan analogiset signaalit.

Nämä ovat taajuusmuuttajat, logaritmiset vahvistimet, ilmaisimet ja muut laitteet. Tällaisten laitteiden diodeja käytetään joko suoraan muuntimena tai ne muodostavat laitteen ominaisuudet, jotka sisältyvät takaisinkytkentäpiiriin.

Diodeja käytetään laajasti vakautetut virtalähteetreferenssijännitteen lähteinä (zener-diodit) tai varaston kytkentäelementteinä IC (kytkentäjännitesäätimet).

Diodeja käyttämällä on hyvin yksinkertaista luoda signaalirajoitimia: kaksi vastakkaiseen suuntaan kytkettyä diodi toimii erinomaisena suojana vahvistimen, esimerkiksi mikrofonin, tulolle lisääntyneeltä signaalitasolta.

Listattujen laitteiden lisäksi diodeja käytetään hyvin usein signaalikytkimissä sekä loogisissa laitteissa. Riittää, kun muistetaan loogiset operaatiot AND, OR ja niiden yhdistelmät.

Yksi diodien lajikkeista on LEDit. Kerran niitä käytettiin vain indikaattoreina useissa laitteissa. Nyt niitä on kaikkialla ja kaikkialla yksinkertaisimmista taskulampuista televisioihin, joissa on LED-taustavalo, on yksinkertaisesti mahdotonta olla huomaamatta niitä.

Boris Aladyshkin