Caracteristicile diodelor, proiectărilor și caracteristicilor aplicației

Caracteristicile diodelor, proiectărilor și caracteristicilor aplicației

În articolul precedent, am început să explorăm dioda semiconductoare. În acest articol vom lua în considerare proprietățile diodelor, avantajele și dezavantajele acestora, diverse proiectări și caracteristici ale aplicației în circuitele electronice.

Caracteristica de tensiune curentă a diodei

Caracteristica de tensiune curentă (CVC) a unei diode cu semiconductor este prezentată în figura 1.

Aici, într-o figură, sunt prezentate caracteristicile I-V ale diodelor germaniu (albastru) și siliciu (negru). Este ușor de observat că caracteristicile sunt foarte similare. Nu există numere pe axe de coordonate, deoarece pentru diferite tipuri de diode pot varia semnificativ: o diodă puternică poate trece un curent direct de câteva zeci de amperi, în timp ce o putere mică poate transmite doar câteva zeci sau sute de miliamperi.

Există numeroase diode de modele diferite și toate pot avea scopuri diferite, deși sarcina lor principală, proprietatea principală este conducta de curent unidirecțional. Această proprietate este cea care permite utilizarea diodelor în redresoare și dispozitive de detectare. Cu toate acestea, trebuie menționat că, în prezent, diodele de germaniu, precum și tranzistorii nu mai sunt utilizate.

Figura 1. Caracteristica de tensiune curentă a diodei

Sucursala directă a CVC

În primul cadran al sistemului de coordonate, există o ramură dreaptă a caracteristicii când dioda este în legătură directă - terminalul pozitiv al sursei de curent, respectiv terminalul negativ la catod, este conectat la anod.

Pe măsură ce Upr tensiunea înainte crește, curentul înainte Ipr începe, de asemenea, să crească. Dar, în timp ce această creștere este nesemnificativă, linia grafică are o ușoară creștere, tensiunea crește mult mai repede decât curentul. Cu alte cuvinte, în ciuda faptului că dioda este pornită în direcția înainte, nu circulă curent prin ea, dioda este practic blocată.

Când este atins un anumit nivel de tensiune, pe caracteristică apare un kink: tensiunea practic nu se schimbă, iar curentul crește rapid. Această tensiune se numește cădere directă de tensiune pe diodă, pe caracteristică este desemnat Uд. Pentru majoritatea diodelor moderne, această tensiune se situează în intervalul 0,5 ... 1V.

Figura arată că tensiunea directă pentru o diodă de germaniu este puțin mai mică (0,3 ... 0,4 V) decât pentru un siliciu (0,7 ... 1,1 V). Dacă curentul direct prin diodă este înmulțit cu tensiunea înainte, atunci rezultatul nu va fi altceva decât puterea disipată de dioda Pd = Ud * I.

Dacă această putere este depășită relativ acceptabilă, atunci poate avea loc supraîncălzirea și distrugerea joncțiunii p-n. De aceea, referința este limitată la curent continuu maximși nu puterea (se crede că se cunoaște tensiunea înainte). Pentru a îndepărta excesul de căldură, pe dispozitivele de încălzire - calorifere sunt instalate diode puternice.

Putere disipată de diodă

Cele de mai sus sunt explicate în figura 2, care arată includerea unei sarcini, în acest caz a unui bec, printr-o diodă.

Figura 2. Pornirea sarcinii prin diodă

Imaginează-ți că tensiunea nominală a unei baterii și a unui bec este de 4.5V. Cu această includere, 1V scade pe diodă, apoi doar 3,5V vor ajunge la bec. Desigur, nimeni nu va colecta practic un astfel de circuit, asta înseamnă doar pentru a ilustra cum și ce afectează tensiunea directă a diodei.

Presupunem că becul a limitat curentul în circuit la exact 1A. Aceasta este pentru ușurința calculului. De asemenea, nu vom ține cont de faptul că becul este un element neliniar și nu respectă legea lui Ohm (rezistența spiralei depinde de temperatură).

Este ușor de calculat că la astfel de tensiuni și curenți, puterea P = Ud * I sau 1V * 1A = 1W este disipată pe diodă.În același timp, puterea de încărcare este de numai 3.5V * 1A = 3.5W. Se pare că mai mult de 28% din energie este consumată inutil, mai mult de un sfert.

Dacă curentul direct prin diodă este de 10 ... 20A, atunci puterea de până la 20W va fi inutilă! Are o astfel de putere fier de lipit mic. În cazul descris, dioda va fi un astfel de fier de lipit.

Schottky Diodes

Este destul de evident că se poate scăpa de astfel de pierderi dacă scăderea directă a tensiunii în dioda Ud este redusă. Aceste diode sunt numite diode schottky numit după inventatorul fizicianului german Walter Schottky. În loc de joncțiunea p-n, folosesc joncțiunea metal-semiconductor. Aceste diode au o cădere de tensiune directă de 0,2 ... 0,4V, ceea ce reduce semnificativ puterea eliberată de diodă.

Poate că singurul dezavantaj al diodelor Schottky este tensiunea inversă scăzută - doar câteva zeci de volți. Valoarea maximă a tensiunii inversă de 250V are un design industrial MBR40250 și analogii săi. Aproape toate sursele de alimentare ale echipamentelor electronice moderne au redresoare pe diodele Schottky.

Ramura inversă a CVC

Unul dintre dezavantaje este că, chiar și atunci când dioda este pornită în direcția opusă, curentul invers curge prin ea, deoarece nu există izolatori ideali în natură. În funcție de modelul diodei, aceasta poate varia de la nanoampe la unități de microampe.

Împreună cu curentul invers, o anumită cantitate de putere este alocată diodei, numeric egală cu produsul curentului invers și al tensiunii inverse. Dacă această putere este depășită, atunci este posibilă o descompunere a joncțiunii p-n, dioda se transformă într-un rezistor convențional sau chiar un conductor. Pe ramura inversă a caracteristicii I - V, acest punct corespunde cu îndoirea caracteristicii în jos.

De obicei, directoarele nu indică puterea, dar unele tensiuni inverse maxime admise. Aproximativ la fel ca și limitarea curentului înainte, menționat chiar mai sus.

De fapt adesea, acești doi parametri, și anume curentul direct și tensiunea inversă, sunt factorii determinanți atunci când alegem o anumită diodă. Acesta este cazul când dioda este proiectată să funcționeze la o frecvență joasă, de exemplu un redresor de tensiune cu frecvența unei rețele industriale de 50 ... 60 Hz.

Capacitate electrică pn joncțiune

Atunci când utilizați diode în circuite de înaltă frecvență, este necesar să ne amintim că joncțiunea pn, la fel ca un condensator, are o capacitate electrică, care depinde și de tensiunea aplicată joncțiunii pn. Această proprietate a joncțiunii p-n este folosită în diode speciale - varicap-uri utilizate pentru reglarea circuitelor oscilatorii din receptoare. Acesta este probabil singurul caz când această capacitate este folosită în bine.

În alte cazuri, această capacitate are un efect de interferență, încetinește comutarea diodei și reduce viteza acesteia. Această capacitate este adesea numită parazită. Este prezentat în figura 3.

Figura 3. Capacitate spuriosă

Proiectarea diodelor.

Diodele plate și punctuale

Pentru a scăpa de efectele dăunătoare ale capacităților fără stăpân, se folosesc diode speciale de înaltă frecvență, de exemplu cele punctuale. Designul unei astfel de diode este prezentat în figura 25.

Figura 4. Diodă punct

O caracteristică a unei diode punctuale este designul electrozilor săi, unul dintre ace fiind un ac metalic. În timpul procesului de fabricație, acest ac care conține o impuritate (donator sau acceptor) este topit într-un cristal semiconductor, rezultând o joncțiune pn a conductivității necesare. O astfel de tranziție are o suprafață mică și, prin urmare, o capacitate mică de rătăcire. Datorită acestui fapt, frecvența de lucru a diodelor punctuale atinge câteva sute de megahertzi.

Dacă se folosește un ac mai ascuțit, obținut fără electro-modelare, frecvența de funcționare poate atinge câteva zeci de gigahertz. Adevărat, tensiunea inversă a acestor diode nu este mai mare de 3 ... 5V, iar curentul înainte este limitat la câteva miliamperi.Dar până la urmă, aceste diode nu sunt redresoare, pentru aceste scopuri, de regulă, sunt utilizate diode plane. Dispozitivul unei diode plane este prezentat în figură.

Figura 5. Diodă planară

Este ușor de observat că o astfel de diodă are o zonă de joncțiune pn care este mult mai mare decât un punct unu. Pentru diode puternice, această zonă poate ajunge până la 100 sau mai mulți milimetri pătrați, astfel încât curentul lor direct este mult mai mare decât cel al punctelor. Este vorba de diode plane care sunt utilizate la redresoarele care funcționează la frecvențe joase, de regulă, nu mai mult de câteva zeci de kilohertz.

Aplicarea diodelor

Nu trebuie să credeți că diodele sunt utilizate doar ca dispozitive de redresare și detector. În plus, există multe alte profesii ale acestora. Caracteristica I - V a diodelor permite utilizarea lor acolo unde este necesară prelucrarea neliniară semnale analogice.

Acestea sunt convertoare de frecvență, amplificatoare logaritmice, detectoare și alte dispozitive. Diodele din astfel de dispozitive sunt utilizate fie direct ca convertor, fie formează caracteristicile dispozitivului, fiind incluse în circuitul de feedback.

Diodele sunt utilizate pe scară largă în surse de energie stabilizateca surse de tensiune de referință (diode zener) sau ca elemente de comutare ale stocării inductor (regulatoare de tensiune de comutare).

Folosind diode, este foarte simplu să creezi limitatori de semnal: două diode conectate în direcția opusă servesc ca protecție excelentă pentru intrarea unui amplificator, de exemplu, un microfon, de la furnizarea unui nivel de semnal crescut.

Pe lângă dispozitivele enumerate, diodele sunt foarte des utilizate în comutatoarele de semnal, precum și în dispozitivele logice. Este suficient să reamintim operațiile logice AND, OR și combinațiile lor.

Una dintre varietățile de diode sunt LED-uri. Odată au fost folosite doar ca indicatori în diferite dispozitive. Acum sunt peste tot și peste tot, de la cele mai simple lanterne la televizoare cu LED - iluminare de fundal, este pur și simplu imposibil să nu le observați.

Boris Aladyshkin