Ciri-ciri diod, reka bentuk dan ciri aplikasi

Ciri-ciri diod, reka bentuk dan ciri aplikasi

Dalam artikel sebelumnya, kami mula meneroka diod semikonduktor. Dalam artikel ini kita akan mempertimbangkan ciri-ciri diod, kelebihan dan kelemahan mereka, pelbagai reka bentuk dan ciri aplikasi dalam litar elektronik.

Ciri voltan semasa diod

Ciri-ciri voltan semasa (CVC) bagi satu diod semikonduktor ditunjukkan dalam Rajah 1.

Di sini, dalam satu angka, ciri I - V germanium (biru) dan silikon (hitam) diod ditunjukkan. Adalah mudah untuk melihat bahawa ciri-cirinya sangat serupa. Tiada nombor pada paksi koordinat, kerana bagi jenis dioda yang berbeza, mereka boleh berubah dengan ketara: satu diod yang kuat boleh melewati arus terus beberapa puluhan amperes, sementara satu kuasa rendah hanya dapat menghantar beberapa puluhan atau ratusan miliamp.

Terdapat banyak dioda model yang berbeza, dan mereka semua boleh mempunyai tujuan yang berbeza, walaupun tugas utama mereka, harta utama adalah pengalihan semasa sehala. Ia adalah harta benda ini yang membolehkan penggunaan diod dalam alat penerus dan pengesan. Walau bagaimanapun, perlu diingatkan bahawa pada masa ini, diod germanium, serta transistor, tidak lagi digunakan.

Rajah 1. Ciri voltan semasa diod

CVC langsung CVC

Dalam kuadran pertama sistem koordinat, terdapat cawangan lurus ciri apabila diod adalah sambungan langsung - terminal positif sumber semasa, masing-masing terminal negatif ke katod, disambungkan ke anod.

Apabila Upr voltan ke hadapan meningkat, Ipr semasa ke hadapan juga mula meningkat. Tetapi sementara peningkatan ini tidak penting, garisan graf mempunyai sedikit kenaikan, voltan tumbuh lebih cepat daripada semasa. Dalam erti kata lain, walaupun diod dihidupkan ke arah hadapan, tidak ada arus yang mengalir melaluinya, diod hampir dikunci.

Apabila tahap voltan tertentu dicapai, kink muncul pada ciri-ciri: voltan secara amnya tidak berubah, dan arusnya semakin berkembang. Voltan ini dipanggil penurunan voltan terus ke seluruh diod, pada ciri tersebut ditetapkan sebagai UD. Bagi kebanyakan diod moden, voltan ini berada dalam julat 0.5 ... 1V.

Angka ini menunjukkan bahawa voltan terus untuk diod germanium sedikit kurang (0.3 ... 0.4 V) berbanding dengan silikon (0.7 ... 1.1 V). Jika arus langsung melalui diod dikalikan dengan voltan ke hadapan, maka hasilnya akan menjadi tidak lebih daripada kuasa yang hilang oleh diod Pd = Ud * I.

Jika kuasa ini melebihi yang boleh diterima, maka pemanasan dan pemusnahan persimpangan p-n boleh berlaku. Itulah sebabnya rujukannya terhad kepada arus ke hadapan maksimumdan bukan kuasa (dipercayai bahawa voltan ke hadapan diketahui). Untuk mengeluarkan haba yang berlebihan, diod kuat dipasang pada sink haba - radiator.

Kuasa dibuang oleh diod

Yang disebutkan di atas dijelaskan dalam Rajah 2, yang menunjukkan kemasukan beban, dalam hal ini mentol cahaya, melalui dioda.

Rajah 2. Menghidupkan beban melalui diod

Bayangkan bahawa voltan yang diberi nilai bateri dan mentol adalah 4.5V. Dengan kemasukan ini, 1V jatuh ke atas diod, maka hanya 3.5V akan mencapai mentol. Sudah tentu, tidak ada yang praktikal dapat mengumpul litar seperti itu, ini hanya untuk menggambarkan bagaimana dan bagaimana voltan langsung pada dioda memberi kesan.

Anggapkan bahawa mentol telah mengehadkan arus dalam litar hingga tepat 1A. Ini adalah untuk memudahkan pengiraan. Juga, kita tidak akan mengambil kira hakikat bahawa mentol adalah elemen bukan linear, dan tidak mematuhi hukum Ohm (rintangan lingkaran bergantung pada suhu).

Adalah mudah untuk mengira bahawa pada tegasan dan arus yang dioda disedkan kuasa P = Ud * I atau 1V * 1A = 1W.Pada masa yang sama, kuasa beban hanya 3.5V * 1A = 3.5W. Ternyata lebih daripada 28 peratus tenaga digunakan tanpa sia-sia, lebih daripada satu perempat.

Jika arus langsung melalui diod adalah 10 ... 20A, maka sehingga 20W kuasa akan sia-sia! Ia mempunyai kuasa sedemikian besi pematerian kecil. Dalam kes yang dijelaskan, diod akan menjadi besi pematerian.

Schottky Diodes

Adalah agak jelas bahawa seseorang boleh menyingkirkan kerugian sedemikian jika penurunan voltan langsung merentasi diode Ud dikurangkan. Diod ini dipanggil diod schottky dinamakan sempena pencipta ahli fizik Jerman, Walter Schottky. Daripada simpang p-n, mereka menggunakan persimpangan logam-semikonduktor. Diod ini mempunyai penurunan voltan langsung sebanyak 0.2 ... 0.4V, yang secara ketara mengurangkan kuasa yang dikeluarkan oleh diod.

Mungkin satu-satunya kelemahan Schottky diod adalah voltan terbalik rendah - hanya beberapa puluh volt. Nilai maksimum voltan terbalik 250V mempunyai reka bentuk perindustrian MBR40250 dan analognya. Hampir semua bekalan kuasa peralatan elektronik moden mempunyai penerus pada dioda Schottky.

CVC terbalik CVC

Salah satu kelemahan perlu dipertimbangkan bahawa walaupun diod dihidupkan dalam arah yang bertentangan, arus terbalik mengalir menerusinya, kerana tidak ada penebat ideal dalam alam semula jadi. Bergantung pada model diod, ia boleh berbeza dari nanoamps ke unit microamps.

Bersama dengan arus terbalik, sejumlah kuasa diperuntukkan kepada dioda, bersamaan dengan produk dari arus terbalik dan voltan terbalik. Sekiranya kuasa ini terlampau, maka pecahan persimpangan p-n mungkin, diod menjadi perintang konvensional atau konduktor. Pada cawangan terbalik ciri I - V, titik ini sepadan dengan bengkok ciri ke bawah.

Biasanya, direktori tidak menunjukkan kuasa, tetapi ada voltan terbalik yang dibenarkan. Kira-kira sama dengan had semasa ke hadapan, yang disebut di atas.

Sebenarnya ia adalah dua parameter ini, iaitu voltan semasa dan terbalik terus, iaitu faktor penentu apabila memilih satu diode tertentu. Ini berlaku apabila diod direka untuk beroperasi pada frekuensi yang rendah, contohnya penerus voltan dengan kekerapan rangkaian perindustrian 50 ... 60 Hz.

Persimpangan pn kapasitif elektrik

Apabila menggunakan diod dalam litar frekuensi tinggi, perlu diingat bahawa persimpangan pn, seperti kapasitor, mempunyai kapasitansi elektrik, yang juga bergantung pada voltan yang digunakan pada persimpangan pn. Properti persimpangan p-n digunakan di diod khas - varicaps yang digunakan untuk menyesuaikan litar berayun di penerima. Ini mungkin satu-satunya kes apabila kapasiti ini digunakan untuk kebaikan.

Dalam kes lain, kapasitansinya mempunyai kesan yang mengganggu, melancarkan pemindahan diod, dan mengurangkan kelajuannya. Kapasiti ini sering dipanggil parasit. Ia ditunjukkan dalam Rajah 3.

Rajah 3. Kapasiti palsu

Reka bentuk diod.

Flat dan Point Diodes

Untuk menyingkirkan kesan berbahaya kapasitans sesat, diod frekuensi tinggi khas, sebagai contoh, digunakan. Reka bentuk diod tersebut ditunjukkan dalam Rajah 25.

Rajah 4. Diod titik

Ciri diod titik adalah reka bentuk elektrodnya, salah satunya adalah jarum logam. Semasa proses pembuatan, jarum ini mengandungi kekotoran (penderma atau penerima) yang dicairkan ke dalam kristal semikonduktor, menyebabkan persimpangan pn kekonduksian yang diperlukan. Peralihan semacam itu mempunyai kawasan kecil, dan, oleh itu, suatu kapasitans yang sesat. Disebabkan ini, frekuensi kerja diod titik mencapai beberapa ratus megahertz.

Jika jarum yang lebih tajam digunakan, diperolehi tanpa penentukuran elektro, frekuensi operasi dapat mencapai beberapa puluh gigahertz. Benar, voltan terbalik bagi diod tersebut tidak lebih daripada 3 ... 5V, dan arus ke hadapan adalah terhad kepada beberapa milliamps.Tetapi selepas semua, diod ini tidak penerus, untuk tujuan ini, sebagai peraturan, dioda planar digunakan. Peranti diod planar ditunjukkan dalam angka tersebut.

Rajah 5. Dioda planar

Adalah mudah untuk melihat bahawa diod sedemikian mempunyai kawasan persimpangan pn yang jauh lebih besar daripada titik satu. Untuk diod yang kuat, kawasan ini boleh mencapai sehingga 100 atau lebih milimeter persegi, jadi arus terus mereka jauh lebih besar daripada yang titik. Ia adalah dioda planar yang digunakan dalam penerus yang beroperasi pada frekuensi rendah, sebagai peraturan, tidak lebih daripada beberapa puluh kilohertz.

Permohonan diod

Anda tidak boleh berfikir bahawa dioda hanya digunakan sebagai peranti penerus dan pengesan. Di samping itu, terdapat banyak lagi profesion mereka. I - V ciri-ciri diod membolehkan mereka menggunakan pemprosesan tidak linear isyarat analog.

Ini adalah penukar kekerapan, penguat logaritmik, pengesan dan peranti lain. Diod dalam peranti sedemikian digunakan secara langsung sebagai penukar, atau membentuk ciri-ciri peranti, dimasukkan ke dalam litar umpan balik.

Diod digunakan secara meluas dalam bekalan kuasa yang stabilsebagai sumber voltan rujukan (zener diodes), atau sebagai elemen penukaran storan induktor (menukar pengawal voltan).

Menggunakan dioda, sangat mudah untuk membuat pembatas isyarat: dua diod yang disambungkan ke arah yang bertentangan berfungsi sebagai perlindungan yang sangat baik untuk input penguat, sebagai contoh, mikrofon, daripada membekalkan tahap isyarat yang meningkat.

Sebagai tambahan kepada peranti yang disenaraikan, diod sering digunakan dalam suis isyarat, serta dalam peranti logik. Ia cukup untuk mengingati operasi logik DAN, ATAU gabungan mereka.

Salah satu jenis diod adalah LED. Sebaik sahaja mereka digunakan hanya sebagai penunjuk dalam pelbagai peranti. Sekarang mereka berada di mana-mana dan di mana-mana dari lampu suluh yang paling mudah untuk TV dengan lampu latar LED, adalah mustahil untuk tidak menyedarinya.

Boris Aladyshkin