Egenskaper för dioder, design och applikationsfunktioner

Egenskaper för dioder, design och applikationsfunktioner

I den föregående artikeln började vi utforska halvledardiode. I den här artikeln kommer vi att ta hänsyn till egenskaperna hos dioder, deras fördelar och nackdelar, olika design och funktioner för användning i elektroniska kretsar.

Strömspänningskaraktäristik för dioden

Strömspänningskarakteristiken (CVC) för en halvledardiod visas i figur 1.

Här, i en figur, visas I-V-egenskaperna för germanium (blå) och kisel (svart) dioder. Det är lätt att märka att egenskaperna är väldigt lika. Det finns inga siffror på koordinataxlarna, eftersom de för olika typer av dioder kan skilja sig väsentligt: ​​en kraftfull diod kan passera en likström på flera tiotals ampere, medan en lågeffekt bara kan överföra flera tiotals eller hundratals milliamp.

Det finns många dioder av olika modeller, och alla kan ha olika syften, även om deras huvuduppgift, huvudegenskapen är envägsströmsledning. Det är denna egenskap som tillåter användning av dioder i likriktare och detektoranordningar. Det bör emellertid noteras att germaniumdioder, liksom transistorer, för närvarande inte längre används.

Figur 1. Strömspänningskaraktäristik för dioden

CVC: s direkta gren

I den första kvadranten i koordinatsystemet finns det en rak gren av karakteristiken när dioden är i direktanslutning - den positiva terminalen för den aktuella källan, respektive den negativa terminalen till katoden, är ansluten till anoden.

När framspänningen Upr ökar börjar även framströmmen Ipr öka. Men medan denna ökning är obetydlig, har graflinjen en liten ökning, spänningen växer mycket snabbare än den nuvarande. Med andra ord, trots att dioden slås på i framåtriktningen, strömmar ingen ström genom den, är dioden praktiskt taget låst.

När en viss spänningsnivå uppnås visas en kink i karakteristiken: spänningen förändras praktiskt taget inte, och strömmen växer snabbt. Denna spänning kallas direkt spänningsfall över dioden, på karakteristiken betecknas UD. För de flesta moderna dioder ligger denna spänning i intervallet 0,5 ... 1V.

Figuren visar att direktspänningen för en germaniumdiod är något mindre (0,3 ... 0,4 V) än för en kisel (0,7 ... 1,1 V). Om likströmmen genom dioden multipliceras med framspänningen, blir resultatet inget annat än effekten som avleds av dioden Pd = Ud * I.

Om denna effekt överskrids relativt acceptabel kan överhettning och förstörelse av p-n-övergången uppstå. Det är därför referensen är begränsad till maximal framströmoch inte ström (det tros att framspänningen är känd). För att avlägsna överskottsvärme installeras kraftfulla dioder på kylflänsen - radiatorer.

Kraft sprids av dioden

Det föregående förklaras i figur 2, som visar införandet av en last, i detta fall en glödlampa, genom en diod.

Bild 2. Slå på lasten genom dioden

Föreställ dig att batteriets och lampans nominella spänning är 4,5V. Med denna inkludering faller 1V på dioden, då kommer bara 3,5V att nå lampan. Naturligtvis kommer ingen praktiskt taget att samla en sådan krets, detta är bara för att illustrera hur och vad direktspänningen på dioden påverkar.

Antag att glödlampan har begränsat strömmen i kretsen till exakt 1A. Detta är för enkel beräkning. Vi tar inte heller hänsyn till det faktum att glödlampan är ett olinjärt element och inte följer Ohms lag (spiralens motstånd beror på temperatur).

Det är lätt att beräkna att vid sådana spänningar och strömmar sprider dioden effekt P = Ud * I eller 1V * 1A = 1W.Samtidigt är lasteffekten endast 3,5V * 1A = 3,5W. Det visar sig att mer än 28 procent av energin förbrukas värdelöst, mer än en fjärdedel.

Om likströmmen genom dioden är 10 ... 20A, kommer upp till 20W effekt att vara värdelös! Den har sådan kraft litet lödkolv. I det beskrivna fallet kommer dioden att vara en sådan lödkolv.

Schottky dioder

Det är ganska uppenbart att man kan bli av med sådana förluster om det direkta spänningsfallet över dioden Ud reduceras. Dessa dioder kallas schottky dioder uppkallad efter uppfinnaren av den tyska fysikern Walter Schottky. I stället för p-n-korsningen använder de metall-halvledar-korsningen. Dessa dioder har ett direkt spänningsfall på 0,2 ... 0,4V, vilket avsevärt minskar kraften som frigörs av dioden.

Kanske är den enda nackdelen med Schottky-dioder den låga bakspänningen - bara några tiotals volt. Det maximala värdet på bakspänningen på 250V har en industriell design MBR40250 och dess analoger. Nästan alla strömförsörjningar med modern elektronisk utrustning har likriktare på Schottky-dioder.

CVC: s bakgren

En av nackdelarna bör beaktas att även när dioden slås på i motsatt riktning, flyter den omvända strömmen genom den ändå, eftersom det inte finns några ideala isolatorer i naturen. Beroende på modell för dioden kan den variera från nanoamp till mikroampenheter.

Tillsammans med bakströmmen tilldelas en viss mängd effekt till dioden, numeriskt lika med produkten från bakströmmen och bakspänningen. Om denna effekt överskrids, är en nedbrytning av p-n-övergången möjlig, dioden förvandlas till ett konventionellt motstånd eller till och med en ledare. På den bakre gren av I - V-karakteristiken motsvarar denna punkt böjningen av karakteristiken nedåt.

Vanligtvis indikerar kataloger inte ström, utan viss maximal spänning tillåtet. Ungefär samma som strömbegränsningen framåt, som nämnts precis ovan.

Faktiskt är det ofta dessa två parametrar, nämligen likström och bakspänning, som är avgörande faktorer när du väljer en viss diod. Detta är fallet när dioden är utformad för att arbeta med en låg frekvens, till exempel en spänningslikriktare med en frekvens för ett industriellt nätverk på 50 ... 60 Hz.

Elektrisk kapacitet pn-korsning

När du använder dioder i högfrekventa kretsar är det nödvändigt att komma ihåg att pn-övergången, som en kondensator, har en elektrisk kapacitans, som också beror på den spänning som anbringas på pn-övergången. Denna egenskap hos p-n-övergången används i speciella dioder - åderbrickor som används för att justera de svängande kretsarna i mottagarna. Detta är förmodligen det enda fallet när denna kapacitet används för gott.

I andra fall har denna kapacitans en störande effekt, bromsar diodenas omkoppling, minskar dess hastighet. Denna kapacitet kallas ofta parasit. Det visas i figur 3.

Bild 3. Fantastisk kapacitet

Diodernas design.

Platt- och punktdioder

För att bli av med de skadliga effekterna av strömkapacitans används speciella högfrekventa dioder, till exempel punkter. Utformningen av en sådan diod visas i figur 25.

Bild 4. Punktdiod

Ett särdrag hos en punktdiod är utformningen av dess elektroder, varav en är en metallnål. Under tillverkningsprocessen smälts denna nål innehållande en orenhet (donator eller acceptor) till en halvledarkristall, vilket resulterar i en pn-övergång av den erforderliga konduktiviteten. En sådan övergång har ett litet område, och därför en liten strömkapacitans. På grund av detta når arbetsfrekvensen för punktdioder flera hundra megahertz.

Om en skarpare nål används, erhållen utan elektrogjutning, kan arbetsfrekvensen nå flera tiotals gigahertz. Det är sant att bakspänningen för sådana dioder är inte mer än 3 ... 5V, och framströmmen är begränsad till flera milliamp.Men trots allt är dessa dioder inte likriktare, för dessa ändamål används som regel plana dioder. En plan för en diod visas i figuren.

Figur 5. Plan diod

Det är lätt att se att en sådan diod har ett pn-korsningsområde som är mycket större än en punkt. För kraftfulla dioder kan detta område nå upp till 100 eller fler kvadratmillimeter, så att deras likström är mycket större än för punkter. Det är plana dioder som används i likriktare som arbetar vid låga frekvenser, som regel inte mer än flera tiotals kilohertz.

Användning av dioder

Du bör inte tro att dioder endast används som likriktare och detektoranordningar. Dessutom finns det många fler av deras yrken. I - V som är karakteristisk för dioder gör det möjligt att använda dem där olinjär bearbetning krävs analoga signaler.

Dessa är frekvensomvandlare, logaritmiska förstärkare, detektorer och andra enheter. Dioder i sådana anordningar används antingen direkt som en omvandlare, eller bildar enhetens egenskaper, som ingår i återkopplingskretsen.

Dioder används ofta i stabiliserade kraftförsörjningarsom referensspänningskällor (zenerdioder) eller som lagringselementens omkopplingselement induktor (växlingsspänningsregulatorer).

Med hjälp av dioder är det mycket enkelt att skapa signalbegränsare: två dioder anslutna i motsatt riktning tjänar som utmärkt skydd för ingången till en förstärkare, till exempel en mikrofon, från att tillhandahålla en ökad signalnivå.

Förutom de listade enheterna används dioder mycket ofta i signalomkopplare, såväl som i logiska enheter. Det räcker med att komma ihåg de logiska operationerna OCH, ELLER och deras kombinationer.

En av de olika dioderna är lysdioder. En gång användes de bara som indikatorer på olika enheter. Nu finns de överallt och överallt, från de enklaste ficklamporna till TV-apparater med LED - bakgrundsbelysning, det är helt enkelt omöjligt att inte märka dem.

Boris Aladyshkin