Karakteristike dioda, dizajna i mogućnosti primjene

Karakteristike dioda, dizajna i mogućnosti primjene

U prethodnom članku započeli smo s istraživanjem poluvodička dioda, U ovom ćemo članku razmotriti svojstva dioda, njihove prednosti i nedostatke, različite izvedbe i značajke primjene u elektroničkim krugovima.

Strujna-naponska karakteristika diode

Značajka struje napona (CVC) poluvodičke diode prikazana je na slici 1.

Ovdje su, na jednoj slici, prikazane I - V karakteristike germanijevih (plavih) i silikonskih (crnih) dioda. Lako je primijetiti da su karakteristike vrlo slične. Na koordinatnim osovinama nema brojeva, jer se za različite vrste dioda mogu značajno razlikovati: moćna dioda može prolaziti izravnu struju od nekoliko desetaka ampera, dok mala snaga može prenijeti samo nekoliko desetina ili stotina miliampera.

Postoji veliki broj dioda različitih modela i sve mogu imati različite svrhe, iako im je glavna zadaća glavno svojstvo jednosmjerna strujna vodljivost, To svojstvo dopušta upotrebu dioda u ispravljačima i detektorskim uređajima. No, treba napomenuti da se trenutno germanijske diode, kao i tranzistori, više ne koriste.

Slika 1. Karakteristika napona struje diode

Izravna grana CVC-a

U prvom kvadrantu koordinatnog sustava nalazi se ravna grana karakteristike kada je dioda u izravnom spoju - pozitivni terminal trenutnog izvora, odnosno negativni terminal na katodi, povezan je s anodom.

Kako se napon Upr napred povećava, Ipr struja ispred također se počinje povećavati. No, iako je ovo povećanje neznatno, linija grafa ima lagani porast, napon raste mnogo brže od struje. Drugim riječima, unatoč činjenici da je dioda uključena u smjeru prema naprijed, kroz nju ne teče struja, dioda je praktički zaključana.

Kada se dosegne određena razina napona, na karakteristici se pojavljuje kink: napon se praktički ne mijenja, a struja brzo raste. Taj napon se zove direktan pad napona preko diode, na karakteristici je označeno kao Ud. Za većinu modernih dioda, ovaj napon je u rasponu od 0,5 ... 1V.

Na slici je vidljivo da je izravni napon za germanijevu diodu nešto manji (0,3 ... 0,4 V) nego za silicij (0,7 ... 1,1 V). Ako se direktna struja kroz diodu pomnoži s naponom naprijed, tada rezultat neće biti ništa više od snage koja se troši diodom Pd = Ud * I.

Ako se ta snaga premaši relativno prihvatljiva, tada može doći do pregrijavanja i uništavanja p-n spajanja. Zato je referenca ograničena na maksimalna struja prema naprijeda ne snage (vjeruje se da je napon naprijed poznat). Da bi se uklonila suvišna toplina, na toplotne sudove - radijatore ugrađuju se snažne diode.

Snaga se raspršila diodom

Prethodno je objašnjeno na slici 2, koja prikazuje uključivanje tereta, u ovom slučaju žarulje, kroz diodu.

Slika 2. Uključivanje tereta kroz diodu

Zamislite da nazivni napon baterije i žarulje iznosi 4,5 V. S tim uključivanjem, 1V padne na diodu, a samo 3,5 V će doći do žarulje. Naravno, nitko neće sakupljati takav krug, ovo je samo da ilustrira kako i na što utječe izravni napon na diodi.

Pretpostavimo da je žarulja ograničila struju u krugu na točno 1A. Ovo je radi lakšeg izračuna. Također, nećemo uzeti u obzir činjenicu da je žarulja element nelinearan i da se ne pokorava Ohmovom zakonu (otpor spirale ovisi o temperaturi).

Lako je izračunati da pri takvim naponima i strujama dioda rasipa snagu P = Ud * I ili 1V * 1A = 1W.Istodobno, snaga opterećenja iznosi samo 3,5 V * 1A = 3,5 W. Ispada da se više od 28 posto energije troši beskorisno, više od četvrtine.

Ako je istosmjerna struja kroz diodu 10 ... 20A, tada će do 20W snage biti beskorisno! Ima takvu moć malo lemljenje, U opisanom slučaju dioda će biti takvo lemljenje.

Schottky Diodes

Sasvim je očito da se takvi gubici mogu riješiti ako se izravni pad napona preko diode Ud smanji. Te diode se nazivaju diodne diode nazvana po izumitelju njemačkog fizičara Waltera Schottkyja. Umjesto spojnice p-n, koriste spoj metal-poluvodič. Te diode imaju izravan pad napona od 0,2 ... 0,4 V, što značajno smanjuje snagu koja dioda oslobađa.

Možda je jedini nedostatak Schottky diode nizak reverzni napon - samo nekoliko desetaka volti. Maksimalnu vrijednost reverznog napona od 250 V ima industrijski dizajn MBR40250 i njegovi analozi. Gotovo sva napajanja suvremene elektroničke opreme imaju ispravljače na Schottky diodama.

Obrnuta grana CVC-a

Jedan od nedostataka treba uzeti u obzir da čak i kad je dioda uključena u suprotnom smjeru, reverzna struja ionako teče kroz nju, jer u prirodi ne postoje idealni izolatori. Ovisno o modelu diode, ona može varirati od nanoampera do jedinica mikroampere.

Zajedno s reverznom strujom, diodi se dodjeljuje određena količina snage, koja je brojčano jednaka proizvodu reverzne struje i obrnutog napona. Ako se ta snaga premaši, tada je moguć prekid p-n spajanja, dioda se pretvara u uobičajeni otpornik ili čak u vodič. Na reverzijskoj grani I - V karakteristike ta točka odgovara zavoju karakteristike prema dolje.

Obično katalozi ne navode snagu, već neki maksimalni dopušteni obrnuti napon. Otprilike isto kao i ograničenje struje prema naprijed, što je već spomenuto.

Zapravo su upravo ova dva parametra, naime istosmjerna struja i napon unatrag, presudni faktori prilikom odabira određene diode. To je slučaj kada je dioda dizajnirana za rad na niskim frekvencijama, na primjer ispravljač napona s frekvencijom industrijske mreže od 50 ... 60 Hz.

Električni kapacitivni pn spoj

Kada koristite diode u visokofrekventnim krugovima, potrebno je zapamtiti da pn spoj, poput kondenzatora, ima električni kapacitet, koji također ovisi o naponu koji se primjenjuje na pn spoj. Ovo svojstvo p-n spajanja koristi se u posebnim diodama - varicapsima koji se koriste za podešavanje oscilacijskih krugova u prijemnicima. To je vjerojatno jedini slučaj kad se ovaj kapacitet koristi za dobro.

U drugim slučajevima, ovaj kapacitet ima ometajući učinak, usporava prebacivanje diode i smanjuje njenu brzinu. Taj se kapacitet često naziva parazitskim. Prikazana je na slici 3.

Slika 3. Lažni kapacitet

Dizajn dioda.

Ravne i točkaste diode

Da biste se riješili štetnih učinaka zalutalih kapaciteta, koriste se posebne visokofrekventne diode, na primjer točkaste. Dizajn takve diode prikazan je na slici 25.

Slika 4. Diodna točka

Značajka točkaste diode je dizajn njenih elektroda, od kojih je jedna metalna igla. Tijekom postupka izrade, ova se igla koja sadrži nečistoću (donor ili akceptor) otopi u poluvodički kristal, čime se dobiva pn spoj potrebne provodljivosti. Takav prijelaz ima malo područje, a samim tim i mali parazitski kapacitet. Zbog toga radna frekvencija točkastih dioda doseže nekoliko stotina megaherca.

U slučaju korištenja oštrije igle, dobivene bez elektroformiranja, radna frekvencija može doseći nekoliko desetaka gigaherca. Istina, obrnuti napon takvih dioda nije veći od 3 ... 5V, a struja naprijed ograničena je na nekoliko miliampera.Ali na kraju krajeva, te diode nisu ispravljači, u te se svrhe u pravilu koriste planarne diode. Uređaj ravninske diode prikazan je na slici.

Slika 5. Ravna dioda

Lako je vidjeti da takva dioda ima površinu pn spojnice koja je mnogo veća od bodovne točke. Za snažne diode ovo područje može doseći do 100 ili više četvornih milimetara, tako da je njihova direktna struja mnogo veća od one točkaste. Planarne diode koriste se u ispravljačima koji rade na niskim frekvencijama, u pravilu ne većim od nekoliko desetaka kiloherca.

Primjena dioda

Ne biste trebali misliti da se diode koriste samo kao ispravljači i detektorski uređaji. Pored toga, postoji još puno njihovih zanimanja. I - V karakteristika dioda omogućuje njihovo korištenje tamo gdje je potrebna nelinearna obrada analogni signali.

To su pretvarači frekvencije, logaritamska pojačala, detektori i drugi uređaji. Diode u takvim uređajima koriste se bilo izravno kao pretvarač, ili formiraju karakteristike uređaja, uključujući se u povratni krug.

Diode se široko koriste u stabilizirana napajanjakao izvori referentnog napona (zener diode) ili kao prekidački elementi skladišta induktor (preklopni regulatori napona).

Korištenjem dioda vrlo je jednostavno stvoriti graničnike signala: dvije diode spojene u suprotnom smjeru služe kao izvrsna zaštita za ulaz pojačala, na primjer, mikrofona od napajanja povećane razine signala.

Pored nabrojanih uređaja, diode se vrlo često koriste u signalnim prekidačima, kao i u logičkim uređajima. Dovoljno je prisjetiti se logičnih operacija AND, OR ili njihovih kombinacija.

Jedna od sorti diode su LED diode, Jednom su korišteni samo kao pokazatelji u raznim uređajima. Sada su posvuda i svugdje od najjednostavnijih svjetiljki do televizora s LED-pozadinskim osvjetljenjem, jednostavno ih je nemoguće ne primijetiti.

Boris Aladyskin