kategorier: Udvalgte artikler » Begynderelektrikere
Antal visninger: 175831
Kommentarer til artiklen: 8
Karakteristika ved dioder, design og applikationsfunktioner
Karakteristika ved dioder, design og applikationsfunktioner
I den forrige artikel begyndte vi at udforske halvlederdiode. I denne artikel vil vi overveje egenskaber ved dioder, deres fordele og ulemper, forskellige design og funktioner til anvendelse i elektroniske kredsløb.
Strømspændingskarakteristik for dioden
Strømspændingskarakteristikken (CVC) for en halvlederdiode er vist i figur 1.
Her i en figur vises I-V-karakteristika for germanium (blå) og silicium (sorte) dioder. Det er let at bemærke, at egenskaberne er meget ens. Der er ingen tal på koordinatakslerne, da de for forskellige typer dioder kan adskille sig markant: en kraftig diode kan passere en jævn strøm på flere titalls ampere, mens en laveffekt kun kan overføre flere titusinder eller hundreder af milliampere.
Der er mange dioder af forskellige modeller, og alle af dem kan have forskellige formål, skønt deres hovedopgave, hovedegenskapen er envejs strømledning. Det er denne egenskab, der tillader brug af dioder i ensrettere og detektorenheder. Det skal dog bemærkes, at germanium-dioder i øjeblikket såvel som transistorer ikke længere er i brug.
Figur 1. Strømspændingskarakteristik for dioden
Den direkte filial af CVC
I den første kvadrant af koordinatsystemet er der en lige gren af karakteristikken, når dioden er i direkte forbindelse - den positive terminal af den aktuelle kilde, henholdsvis den negative terminal til katoden, er forbundet til anoden.
Når fremadspændingen Upr stiger, begynder også den aktuelle strøm Ipr at stige. Men mens denne stigning er ubetydelig, har graflinjen en svag stigning, vokser spændingen meget hurtigere end strømmen. Med andre ord, til trods for at dioden er tændt i retning fremad, strømmen ikke strømmer gennem den, er dioden praktisk talt låst.
Når et bestemt spændingsniveau nås, vises et knæk i karakteristikken: spændingen ændrer praktisk talt ikke, og strømmen vokser hurtigt. Denne spænding kaldes direkte spændingsfald over dioden, på karakteristikken betegnes som Uд. For de fleste moderne dioder ligger denne spænding i intervallet 0,5 ... 1V.
Figuren viser, at den direkte spænding for en germaniumdiode er lidt mindre (0,3 ... 0,4 V) end for en silicium (0,7 ... 1,1 V). Hvis jævnstrømmen gennem dioden ganges med forspændingen, vil resultatet kun være andet end den strøm, der spredes af dioden Pd = Ud * I.
Hvis denne effekt overskrides relativt acceptabel, kan overophedning og ødelæggelse af p-n-krydset forekomme. Derfor er referencen begrænset til maksimal fremadstrømog ikke strøm (det antages, at forspændingen er kendt). For at fjerne overskydende varme installeres kraftige dioder på kølelegemer - radiatorer.
Kraft spredt af diode
Det foregående er forklaret i figur 2, der viser indbefattelsen af en belastning, i dette tilfælde en lyspære, gennem en diode.
Figur 2. Tænd for belastningen gennem dioden
Forestil dig, at den nominelle spænding for et batteri og en pære er 4,5V. Med denne inkludering vil 1V falde på dioden, derefter vil kun 3,5V nå pæren. Naturligvis vil ingen praktisk talt samle et sådant kredsløb, dette er bare for at illustrere, hvordan og hvad den direkte spænding på dioden påvirker.
Antag, at pæren har begrænset strømmen i kredsløbet til nøjagtigt 1A. Dette er for nem beregning. Vi tager heller ikke hensyn til det faktum, at pæren er et ikke-lineært element og ikke overholder Ohms lov (spiralens modstand afhænger af temperaturen).
Det er let at beregne, at ved sådanne spændinger og strømme dioden spreder effekten P = Ud * I eller 1V * 1A = 1W.På samme tid er belastningen kun 3,5 V * 1A = 3,5 W. Det viser sig, at mere end 28 procent af energien forbruges nytteløst, mere end et kvarter.
Hvis jævnstrømmen gennem dioden er 10 ... 20A, vil op til 20 W strøm være ubrugelig! Det har sådan kraft lille loddejern. I det beskrevne tilfælde vil dioden være sådan et loddejern.
Schottky Diodes
Det er helt åbenlyst, at man kan slippe af med sådanne tab, hvis det direkte spændingsfald over dioden Ud reduceres. Disse dioder kaldes schottky dioder opkaldt efter opfinderen af den tyske fysiker Walter Schottky. I stedet for p-n-krydset bruger de metal-halvlederforbindelsen. Disse dioder har et direkte spændingsfald på 0,2 ... 0,4V, hvilket markant reducerer den strøm, der frigøres af dioden.
Den eneste ulempe ved Schottky-dioder er måske den lave revers spænding - kun et par titusind volt. Den maksimale værdi af bagspændingen på 250V har et industrielt design MBR40250 og dets analoger. Næsten alle strømforsyninger til moderne elektronisk udstyr har ensretter på Schottky-dioder.
Den bageste gren af CVC
En af ulemperne skal overvejes, at selv når dioden tændes i den modsatte retning, flyder den modsatte strøm alligevel gennem den, fordi der ikke er nogen ideelle isolatorer i naturen. Afhængig af modellen til dioden kan den variere fra nanoampere til enheder af mikroampe.
Sammen med tilbagestrømmen tildeles en vis mængde strøm til dioden, numerisk lig med produktet fra omvendt strøm og revers spænding. Hvis denne effekt overskrides, er en nedbrydning af p-n-forbindelsen mulig, dioden bliver til en konventionel modstand eller endda en leder. På den bageste gren af I - V - karakteristikken svarer dette punkt til bøjningen af karakteristikken nede.
Kataloger angiver typisk ikke strøm, men nogle maksimal tilladt revers spænding. Cirka det samme som den aktuelle strømbegrænsning, som blev nævnt lige ovenfor.
Faktisk er det ofte disse to parametre, nemlig jævnstrøm og revers spænding, der er de afgørende faktorer, når man vælger en bestemt diode. Dette er tilfældet, når dioden er designet til at fungere med en lav frekvens, for eksempel en spændingsudretter med en frekvens på et industrielt netværk på 50 ... 60 Hz.
Elektrisk kapacitet pn-kryds
Når du bruger dioder i højfrekvente kredsløb, er det nødvendigt at huske, at pn-krydset, ligesom en kondensator, har en elektrisk kapacitans, som også afhænger af spændingen, der tilføres pn-krydset. Denne egenskab ved p-n-krydset bruges i specielle dioder - varicaps, der bruges til at justere oscillerende kredsløb i modtagerne. Dette er sandsynligvis det eneste tilfælde, når denne kapacitet bruges til gode.
I andre tilfælde har denne kapacitans en interfererende virkning, bremser diodenes omskiftning og reducerer dens hastighed. Denne kapacitet kaldes ofte parasitisk. Det er vist i figur 3.
Figur 3. Fantastisk kapacitet
Designet af dioderne.
Flade og punktdioder
For at slippe af med de skadelige effekter af omstrejfende kapacitans bruges specielle højfrekvente dioder, for eksempel punktdoser. Udformningen af en sådan diode er vist i figur 25.
Figur 4. Punktdiode
Et træk ved en punktdiode er designet til dets elektroder, hvoraf den ene er en metalnål. Under fremstillingsprocessen smeltes denne nål, der indeholder en urenhed (donor eller acceptor), til en halvlederkrystall, hvilket resulterer i et pn-kryds med den krævede ledningsevne. En sådan overgang har et lille område, og derfor en lille omstrejfende kapacitet. På grund af dette når driftsfrekvensen for punktdioder flere hundrede megahertz.
Hvis der bruges en skarpere nål opnået uden elektro-støbning, kan driftsfrekvensen nå flere titalls gigahertz. Det er sandt, at revers spænding for sådanne dioder ikke er mere end 3 ... 5V, og fremadstrømmen er begrænset til et par milliampere.Men trods alt er disse dioder ikke ensretter, til disse formål anvendes som regel plane dioder. Enheden til en plan diode er vist på figuren.
Figur 5. Plan diode
Det er let at se, at en sådan diode har et pn-krydsområde, der er meget større end et punkt. For kraftige dioder kan dette område nå op til 100 eller flere kvadratmillimeter, så deres jævnstrøm er meget større end for punkterede. Det er plane dioder, der bruges i ensrettere, der arbejder ved lave frekvenser, som regel ikke mere end adskillige snesevis af kilohertz.
Anvendelse af dioder
Det skal ikke tænkes, at dioder kun bruges som ensretter og detektorenheder. Derudover er der mange flere af deres erhverv. I - V karakteristisk for dioder gør det muligt at bruge dem, hvor ikke-lineær behandling er påkrævet analoge signaler.
Dette er frekvensomformere, logaritmiske forstærkere, detektorer og andre enheder. Dioder i sådanne enheder bruges enten direkte som en konverter eller danner enhedens egenskaber, der indgår i feedbackkredsløbet.
Dioder er vidt brugt i stabiliserede strømforsyningersom kilder til referencespænding (zener dioder) eller som skifteelementer i lageret spole (skiftespændingsregulatorer).
Ved hjælp af dioder er det meget simpelt at oprette signalbegrænsere: to dioder, der er forbundet i den modsatte retning, tjener som fremragende beskyttelse for indgangen til en forstærker, for eksempel en mikrofon, fra at levere et forhøjet signalniveau.
Ud over de anførte enheder bruges dioder meget ofte i signalafbrydere såvel som i logiske enheder. Det er nok at huske de logiske operationer AND, OR og deres kombinationer.
En af de forskellige sorter af dioder er lysdioder. En gang blev de kun brugt som indikatorer på forskellige enheder. Nu er de overalt og overalt fra de enkleste lommelygter til tv'er med LED - baggrundsbelysning, det er simpelthen umuligt ikke at lægge mærke til dem.
Boris Aladyshkin
Se også på elektrohomepro.com
: