Kenmerken van diodes, ontwerpen en toepassingsfuncties

Kenmerken van diodes, ontwerpen en toepassingsfuncties

In het vorige artikel zijn we begonnen met verkennen halfgeleiderdiode. In dit artikel zullen we de eigenschappen van diodes, hun voor- en nadelen, verschillende ontwerpen en toepassingsmogelijkheden in elektronische schakelingen bekijken.

Stroomspanningskarakteristiek van de diode

De stroom-spanningskarakteristiek (CVC) van een halfgeleiderdiode wordt getoond in figuur 1.

Hier worden in één figuur de I - V-kenmerken van diodes van germanium (blauw) en silicium (zwart) weergegeven. Het is gemakkelijk op te merken dat de kenmerken erg op elkaar lijken. Er zijn geen getallen op de coördinaatassen, omdat ze voor verschillende soorten diodes aanzienlijk kunnen variëren: een krachtige diode kan een gelijkstroom van enkele tientallen ampères doorlaten, terwijl een laag vermogen slechts enkele tientallen of honderden milliampère kan overbrengen.

Er zijn heel veel diodes van verschillende modellen, en ze kunnen allemaal verschillende doeleinden hebben, hoewel hun hoofdtaak, de belangrijkste eigenschap is eenrichtingsstroomgeleiding. Het is deze eigenschap die het gebruik van diodes in gelijkrichters en detectoren toestaat. Er moet echter worden opgemerkt dat op dit moment germaniumdioden, evenals transistoren, niet langer in gebruik zijn.

Figuur 1. Stroomspanningskarakteristiek van de diode

De directe tak van de CVC

In het eerste kwadrant van het coördinatenstelsel is er een rechte tak van de karakteristiek wanneer de diode in directe verbinding is - de positieve aansluiting van de stroombron, respectievelijk de negatieve aansluiting naar de kathode, is verbonden met de anode.

Naarmate de voorwaartse spanning Upr toeneemt, begint ook de voorwaartse stroom Ipr toe te nemen. Maar hoewel deze toename onbeduidend is, neemt de grafieklijn licht toe, de spanning groeit veel sneller dan de stroom. Met andere woorden, ondanks het feit dat de diode in de voorwaartse richting is ingeschakeld, stroomt er geen stroom door, de diode is praktisch vergrendeld.

Wanneer een bepaald spanningsniveau wordt bereikt, verschijnt er een knik op de eigenschap: de spanning verandert praktisch niet en de stroom groeit snel. Deze spanning wordt genoemd directe spanningsval over de diode, op het kenmerk wordt aangeduid als Uд. Voor de meeste moderne diodes ligt deze spanning in het bereik van 0,5 ... 1V.

De figuur laat zien dat de gelijkspanning voor een germaniumdiode iets minder is (0,3 ... 0,4 V) dan voor een silicium (0,7 ... 1,1 V). Als de gelijkstroom door de diode wordt vermenigvuldigd met de voorwaartse spanning, is het resultaat niets meer dan het vermogen dat wordt gedissipeerd door de diode Pd = Ud * I.

Als dit vermogen relatief acceptabel wordt overschreden, kan oververhitting en vernietiging van de p-n-junctie optreden. Daarom is de verwijzing beperkt tot maximale voorwaartse stroomen niet vermogen (men gelooft dat de voorwaartse spanning bekend is). Om overtollige warmte te verwijderen, zijn krachtige diodes geïnstalleerd op koellichamen - radiatoren.

Vermogen afgevoerd door diode

Het voorgaande wordt uitgelegd in figuur 2, die de opname van een belasting, in dit geval een gloeilamp, door een diode toont.

Figuur 2. De belasting via de diode inschakelen

Stel je voor dat de nominale spanning van een batterij en een lamp 4.5V is. Met deze opname valt 1V op de diode, dan bereikt slechts 3.5V de lamp. Natuurlijk zal niemand zo'n circuit praktisch verzamelen, dit is alleen om te illustreren hoe en wat de directe spanning op de diode beïnvloedt.

Neem aan dat de lamp de stroom in het circuit heeft beperkt tot exact 1A. Dit is voor het gemak van de berekening. We zullen ook geen rekening houden met het feit dat de lamp een niet-lineair element is en niet voldoet aan de wet van Ohm (de weerstand van de spiraal is afhankelijk van de temperatuur).

Het is gemakkelijk om te berekenen dat bij dergelijke spanningen en stromen het vermogen P = Ud * I of 1V * 1A = 1W wordt gedissipeerd op de diode.Tegelijkertijd is het laadvermogen slechts 3.5V * 1A = 3.5W. Het blijkt dat meer dan 28 procent van de energie nutteloos wordt verbruikt, meer dan een kwart.

Als de gelijkstroom door de diode 10 ... 20A is, is tot 20 W vermogen nutteloos! Het heeft zo'n kracht kleine soldeerbout. In het beschreven geval zal de diode een dergelijke soldeerbout zijn.

Schottky-diodes

Het is vrij duidelijk dat men dergelijke verliezen kwijt kan raken als de directe spanningsval over de diode Ud wordt verminderd. Deze diodes worden genoemd schottky-diodes vernoemd naar de uitvinder van de Duitse natuurkundige Walter Schottky. In plaats van de p-n-overgang gebruiken ze de metaal-halfgeleider-overgang. Deze diodes hebben een directe spanningsval van 0,2 ... 0,4 V, wat het vermogen dat door de diode wordt vrijgegeven aanzienlijk vermindert.

Misschien is het enige nadeel van Schottky-dioden de lage omgekeerde spanning - slechts enkele tientallen volt. De maximale waarde van de omgekeerde spanning van 250 V heeft een industrieel ontwerp MBR40250 en zijn analogen. Bijna alle voedingen van moderne elektronische apparatuur hebben gelijkrichters op Schottky-diodes.

De omgekeerde tak van de CVC

Een van de nadelen is dat zelfs wanneer de diode in de tegenovergestelde richting wordt ingeschakeld, de omgekeerde stroom er toch doorheen stroomt, omdat er in de natuur geen ideale isolatoren zijn. Afhankelijk van het model van de diode, kan deze variëren van nanoamps tot eenheden van microamps.

Samen met de omgekeerde stroom wordt een bepaalde hoeveelheid vermogen toegewezen aan de diode, numeriek gelijk aan het product van de omgekeerde stroom en de omgekeerde spanning. Als dit vermogen wordt overschreden, is een afbraak van de p-n-junctie mogelijk, de diode verandert in een conventionele weerstand of zelfs een geleider. Op de omgekeerde tak van de I - V-eigenschap komt dit punt overeen met de bocht van de eigenschap naar beneden.

Doorgaans geven mappen geen vermogen aan, maar enige maximaal toelaatbare omgekeerde spanning. Ongeveer hetzelfde als de voorwaartse stroombeperking, die net hierboven werd genoemd.

Eigenlijk zijn het vaak deze twee parameters, namelijk de gelijkstroom en de omgekeerde spanning, die bepalend zijn voor de keuze van een bepaalde diode. Dit is het geval wanneer de diode is ontworpen om op een lage frequentie te werken, bijvoorbeeld een spanningsgelijkrichter met een frequentie van een industrieel netwerk van 50 ... 60 Hz.

Elektrische capaciteit pn junction

Wanneer diodes in hoogfrequente circuits worden gebruikt, moet worden onthouden dat de pn-junctie, net als een condensator, een elektrische capaciteit heeft, die ook afhankelijk is van de spanning die op de pn-junctie wordt aangelegd. Deze eigenschap van de p-n-junctie wordt gebruikt in speciale diodes - varicaps gebruikt om de oscillerende circuits in de ontvangers aan te passen. Dit is waarschijnlijk het enige geval wanneer deze capaciteit voorgoed wordt gebruikt.

In andere gevallen heeft deze capaciteit een interfererend effect, vertraagt ​​het schakelen van de diode en vermindert de snelheid. Deze capaciteit wordt vaak parasitair genoemd. Het wordt getoond in figuur 3.

Figuur 3. Valse capaciteit

Het ontwerp van de diodes.

Vlakke en puntdiodes

Om de schadelijke effecten van zwerfcapaciteit weg te werken, worden speciale hoogfrequente diodes gebruikt, bijvoorbeeld puntdioden. Het ontwerp van een dergelijke diode is weergegeven in figuur 25.

Figuur 4. Punt diode

Een kenmerk van een puntdiode is het ontwerp van de elektroden, waaronder een metalen naald. Tijdens het fabricageproces wordt deze naald met een onzuiverheid (donor of acceptor) gesmolten tot een halfgeleiderkristal, wat resulteert in een pn-overgang van de vereiste geleidbaarheid. Een dergelijke overgang heeft een klein gebied en daarom een ​​kleine verdwaalde capaciteit. Hierdoor bereikt de werkfrequentie van puntdioden enkele honderden megahertz.

Als een scherpere naald wordt gebruikt, verkregen zonder elektro-moulding, kan de werkfrequentie enkele tientallen gigahertz bereiken. Toegegeven, de omgekeerde spanning van dergelijke diodes is niet meer dan 3 ... 5V en de voorwaartse stroom is beperkt tot een paar milliampère.Maar deze diodes zijn tenslotte niet gelijkrichter, voor deze doeleinden worden in de regel vlakke diodes gebruikt. Het apparaat van een vlakke diode wordt getoond in de figuur.

Figuur 5. Planaire diode

Het is gemakkelijk om te zien dat een dergelijke diode een pn-verbindingsgebied heeft dat veel groter is dan een punt. Voor krachtige diodes kan dit gebied tot 100 of meer vierkante millimeter bereiken, dus hun gelijkstroom is veel groter dan die van puntdegenen. Het zijn vlakke diodes die worden gebruikt in gelijkrichters die op lage frequenties werken, in de regel niet meer dan enkele tientallen kilohertz.

Toepassing van diodes

Je moet niet denken dat diodes alleen als gelijkrichter en detector worden gebruikt. Bovendien zijn er veel meer van hun beroepen. I - V karakteristiek van diodes maakt het gebruik ervan mogelijk wanneer niet-lineaire verwerking vereist is analoge signalen.

Dit zijn frequentieomvormers, logaritmische versterkers, detectoren en andere apparaten. Diodes in dergelijke apparaten worden ofwel direct als een omzetter gebruikt, of vormen de kenmerken van het apparaat, dat in het feedbackcircuit wordt opgenomen.

Diodes worden veel gebruikt in gestabiliseerde voedingenals bronnen van referentiespanning (zenerdiodes), of als schakelelementen van de opslag inductor (schakelspanningsregelaars).

Met behulp van diodes is het heel eenvoudig om signaalbegrenzers te maken: twee in tegengestelde richting verbonden diodes dienen als uitstekende bescherming voor de invoer van een versterker, bijvoorbeeld een microfoon, tegen een verhoogd signaalniveau.

Naast de genoemde apparaten worden diodes heel vaak gebruikt in signaalschakelaars en in logische apparaten. Het is voldoende om de logische bewerkingen EN, OF en hun combinaties op te roepen.

Een van de soorten diodes zijn LEDs. Ooit werden ze alleen als indicatoren in verschillende apparaten gebruikt. Nu zijn ze overal en overal, van de eenvoudigste zaklampen tot tv's met LED - achtergrondverlichting, het is gewoon onmogelijk om ze niet op te merken.

Boris Aladyshkin