forum

szukaj

książki

linki

artykuły

teoria

dla początkujących

schematy

elektronika retro

mikrokontrolery

Teoria

Diody

Charakterystyka diody

-

Przełączanie diody

-

Dioda Schottky'ego

-

Dioda Zenera

-

Dioda jako prostownik

-

Prostownik w

zasilaczu

-

Dioda jako klucz

-

Ogranicznik diodowy

Symbol graficzny diody przedstawiony jest na rys. 3.1, jak widać jest on podobny do strzałki, która w tym przypadku
wyznacza kierunek przepływu prądu przez diodę. Wyprowadzenie diody A jest nazywane anodą, a wyprowadzenie K jest
nazywane katodą. Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli U

AK

>0 to będzie ona

spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody. W przypadku gdy napięcie U

AK

<0 dioda jest

spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie. Tak naprawdę to płynie tak zwany prąd wsteczny ale jest on zwykle o
kilka rzędów mniejszy niż prąd przewodzenia dlatego przyjmuje się, że jest on równy zeru. Oczywiście tak jest do czasu
gdy napięcie zaporowe nie przekroczy pewnej granicy tak zwanego napięcia przebicia, a wówczas popłynie prąd
porównywalny z prądem w kierunku przewodzenia. Zwykle powoduje to uszkodzenie diody, chyba że mamy do czynienia
ze specjalnym rodzajem diody tak zwanej diody Zenera, w której wykorzystywana jest napięcie przebicia do stabilizacji
(inna nazwa takiej diody to stabilistor).

Charakterystyka diody
Na rys. 3.2 przedstawiona jest charakterystyka diody I

D

=I

D

(U

AK

). Jak widać

na rysunku już przy bardzo małych napięciach U

AK

(jest to napięcie na

diodzie) prąd płynący przez diodę I

D

(prąd przewodzenia) bardzo mocno

wzrasta do dużych wartości. Tak jak każdy element dioda ma również swoje
parametry graniczne, których nie można przekroczyć bez jej uszkodzenia.
Dlatego prąd przewodzenia diody nie może przekroczyć jej prądu
maksymalnego I

Fmax

. Napięcie przewodzenia diody U

F

określa się przy

prądzie przewodzenia I

F

=0,1·I

Fmax

. Dla diody germanowej Ge (diody mogą

być zbudowane z różnych półprzewodników) napięcie to zawiera się w
zakresie od 0,2V do 0,4V, a dla diody krzemowej Si - od 0,5V do 0,8V.
Jako "ciekawostkę" podam wzór na teoretyczną charakterystykę diody:

rys. 3.1

rys. 3.2

gdzie:
- I

S

jest teoretycznym prądem wstecznym,

- m jest współczynnikiem korekcyjnym i wynosi od 1 do 2,
- U

T

=kT/q jest potencjałem elektrokinetycznym.

Potencjał ten w temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi:

rys. 3.3

Charakterystyki diody krzemowej i germanowej przedstawione na rys. 3.3
powstały na podstawie przedstawionego wyżej wzoru.
Typowe dane dla diody germanowej i krzemowej wynoszą:

- dioda krzemowa I

S

=10 pA, mU

T

=30 mV, I

Fmax

=100 mA

- dioda germanowa I

S

=100 nA, mU

T

=30 mV, I

Fmax

=100 mA.

Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia U

F

dla

prądu przewodzenia I

F

=0,1·I

Fmax

. Dla diody germanowej napięcie

przewodzenia jest równe 0,35V, a dla diody krzemowej 0,62V.

Przełączanie diody
Oprócz napięcia przewodzenia, napięcia wstecznego czy też prądu
przewodzenia, bardzo ważnym parametrem diody jest jej czas
magazynowania ładunku t

m

. Proces wyłączania diody pokazany jest na

przebiegach czasowych na rys. 3.4. Dioda D włączona w układ z źródłem
napięcia U

g

nie wyłącza się od razu po zmianie napięcia U

g

z dodatniego na

ujemne. Jak widać na rysunku napięcie na diodzie spada z opóźnieniem
równym czasowi magazynowania ładunku w złączu p-n. Typowe wartości
tego czasu są dla diod małej mocy równe od ok. 10ns do 100ns, a dla diod
dużej mocy nawet rzędu µs.
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi należy
zwracać uwagę na to aby czas magazynowania był znacznie mniejszy od
okresu sygnału, który ma ulec wyprostowaniu na diodzie.

Dioda Schottky'ego
W przypadku gdy chcemy włączyć diodę w układ z sygnałem o dużej
częstotliwości to lepiej jest zastosować diodę Schottky'ego. Symbol graficzny
takiej diody jest przedstawiony na rys. 3.5. W diodzie Schottky'ego miejsce
złącza p-n zajmuje złącze metal-półprzewodnik, które też ma właściwości
prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku). Ładunek
magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas
przełączania jest rzędu 100ps. Oprócz tego diody Schottky'ego mają
mniejsze napięcie przewodzenia (U

F

=0,3V) niż diody krzemowe.

Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n, która w przypadku
zwykłych diod jest zgubna, a mianowicie przekroczenie maksymalnego
napięcia wstecznego, przy którym prąd bardzo szybko wzrasta. W przypadku
diod Zenera napięcie to jest dokładnie określone i nazywane jest napięciem
Zenera U

Z

.

Symbol graficzny diody Zenera przedstawiony jest na rys. 3.6,
a charakterystyka tej diody na rys. 3.7. Jak widać na rys. 3.7 stabilizacja na
diodzie zenera polega na tym, że dużym zmianom prądu diody DI

D

towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia DU

AK

i przyjmuje się, że

napięcie na diodzie nie zmienia się i jest równe napięciu Zenera U

Z

.

Diody takie stosuje się do stabilizacji napięć stałych. Produkuje się diody
na napięcia Zenera od 1,5V do 200V, ale trzeba pamiętać, że im mniejsze
jest to napięcie tym gorsza stabilizacja.
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego z wykorzystaniem diody
Zenera przedstawiony jest na rys. 3.8. Rezystor R1 ustala wartość prądu
płynącego przez diodę i do obciążenia. Wartość tego rezystora musi być tak
dobrana aby zapewnić właściwe warunki stabilizacji dla danego typu diody
Zenera. Właściwy prąd można zawsze odczytać z danych katalogowych
diody. Przedstawiony układ może służyć jako źródło napięcia odniesienia.
Taki układ ma jednak kilka wad np. takich jak wpływ temperatury czy wpływ
zmian prądu płynącego przez diodę na napięcie stabilizacji. Kilka układów
przedstawiających lepsze rozwiązania przedstawiłem w dziale

Ciekawe

rozwiązania układowe

.

rys. 3.4

rys. 3.5

rys. 3.6

rys. 3.7

rys. 3.8

Dioda jako prostownik
Jednym z najczęstszych i najprostszych zastosowań diody jest wykorzystanie
jej jako prostownika.
Prostownik zamienia prąd przemienny, czyli taki który płynie na zmianę w
dwóch kierunkach na prąd jednokierunkowy. Często o diodach mówi się
"prostownik" mając na myśli takie właśnie zastosowanie.
Prostownik jednopołówkowy
Na rys. 3.9 przedstawiony jest najprostszy układ prostownika. U

g

jest

źródłem napięcia przemiennego, a R

L

jest rezystancją reprezentującą

obciążenie prostownika. W tym przypadku (rys. 3.10) źródłem napięcia
wejściowego U

g

jest napięcie zmienne takie jak na przykład w sieci 220V

50Hz, które jest obniżane na transformatorze sieciowym i podawane na
diodę D. Tak więc dla wejściowego napięcia sinusoidalnego o amplitudzie
zdecydowanie większej od napięcia przewodzenia diody (0.6V) napięcie na
obciążeniu U

L

wygląda tak jak na rys. 3.10 (przebieg czerwony). Jak widać

przez diodę przedostają się tylko dodatnie połówki sinusoidy, gdyż wówczas
na anodzie diody jest wyższy potencjał niż na katodzie i dioda jest
spolaryzowana w kierunku przewodzenia (oczywiście wtedy gdy U

g

>0.6V).

Można więc powiedzieć, że jest to prostownik jednopołówkowy. Napięcie U

L

występuje więc jedynie przez połowę okresu napięcia wejściowego U

g

.

Prostownik dwupołówkowy
Na rys. 3.11 przedstawiony jest inny układ prostownika. Jest to
dwupołówkowy układ mostkowy. Tak zwany mostek złożony jest z diod D1,
D2, D3, D4. Przebiegi napięcia wejściowego U

g

i wyjściowego U

L

przedstawione są na rys. 3.12.
Dla dodatniej połówki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki
czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia R

L

, dalej poprzez diodę D3

do źródła U

g

. Następnie dla połówki ujemnej prąd (strzałki niebieskie)

popłynie poprzez diodę D2 do obciążenia R

L

jak widać zachowując ten sam

kierunek przepływu prądu przez obciążenie jak dla połówki dodatniej, a
następnie poprzez diodę D4 z powrotem do źródła U

g

. W efekcie na wyjściu

układu otrzymamy napięcie wyprostowane dwupołówkowo co widać na
przebiegu z rys. 3.12 (przebieg czerwony). Poziome odcinki pomiędzy
połówkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących
diodach. Warto zauważyć, że w układzie mostkowym dla obu kierunków
sygnału wejściowego, z wejściem są połączone szeregowo dwie diody.
Dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie U

g

musi być większe

od podwojonego napięcia przewodzenia diody (U

g

>2·0.6V). Warto o tym

pamiętać szczególnie przy projektowaniu zasilaczy.

Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołówkowy czy dwupołówkowy w takich postaciach jak
przedstawione na rys. 3.9 i 3.11 nie mają w zasadzie praktycznego
zastosowania gdyż napięcie otrzymywane na wyjściu nie zmienia wprawdzie
kierunku lecz ma bardzo duże zmiany jeśli chodzi o wartość napięcia -
zmiany te są nazywane tętnieniami.
Aby otrzymać napięcie stałe również co do wartości należy je wygładzić, a
w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy. Filtr
ten najczęściej ma postać kondensatora elektrolitycznego (czasami można
zastosować pomiędzy mostkiem, a kondensatorem mały rezystor dla
ograniczenia prądu).
Przykład zastosowania prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
przedstawiony jest na rys. 3.13. Źródłem napięcia zmiennego jest napięcie
sieciowe obniżane na transformatorze sieciowym. Kondensator filtrujący
(wygładzający) C dołączony jest równolegle do obciążenia R

L

. Filtrowanie

polega na tym, że kondensator ładuje się w czasie, gdy napięcie prostownika
przewyższa napięcie na kondensatorze, a rozładowuje się w czasie, gdy
napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze. Szybkość
rozładowywania zależy od stałej czasowej R

L

·C. Przebieg napięcia

wyjściowego U przedstawiony jest na rys. 3.14. Kolorem czerwonym
zaznaczony jest kształt napięcia na wyjściu prostownika bez kondensatora
filtrującego C, a kolorem niebieskim napięcie na wyjściu z dołączonym
kondensatorem. Napięcie tętnień U

t

równe jest DU. Aby zapewnić małą

amplitudę tętnień to wartość kondensatora C dobiera się tak aby był
spełniony warunek

R

L

·C>>1/f

gdzie f jest częstotliwością tętnień - w tym przypadku jest to 100Hz
(częstotliwość napięcia sieciowego jest równa 50Hz). Warunek ten oznacza,
że czas jaki upływa między następującymi po sobie doładowaniami
kondensatora jest znacznie mniejszy od stałej czasowej obwodu
rozładowania.
Aby obliczyć wartość międzyszczytową napięcia tętnień (na rys. 3.14
oznaczona jako DU) wystarczy zajrzeć do działu

Elementy RLC

i przypomnieć

sobie skąd się bierze wzór:

DU=(I/C)·Dt

Dla

Dt=T=1/f - prostowanie jednopołówkowe

Dt=½T=1/2f - prostowanie dwupołówkowe

gdzie T jest okresem napięcia sieciowego (20ms), a f jego częstotliwością
(50Hz), otrzymuje się następujące wzory na wartość napięcia tętnień:

odpowiednio dla prostownika jednopołówkowego i dwupołówkowego. Prąd I

L

jest prądem obciążenia.
Oczywiści powyższe wzory są pewnym przybliżeniem, ale z praktycznego
punktu widzenia zupełnie wystarczajacym i przy ich pomocy będziesz mógł
wyliczyć właściwą wartośc pojemności dla kondensatora filtrującego w
zasilaczu sieciowym, zakładając oczywiście dopuszczalną wartość napięcia
tętnień i maksymalny prąd obciążenia.
Aby przećwiczyć wykorzystanie powyższych wzorów proponuję rozwiązać

zadanie 3.1

i

zadanie 3.2

.

rys. 3.9

rys. 3.10

rys. 3.11

rys. 3.12

rys. 3.13

rys. 3.14

Dioda jako klucz
Podstawową właściwość diody jaką jest przewodzenie prądu w jednym
kierunku można doskonale wykorzystać w układach przełączających -
kluczach.
Przełącznikiem diodowym (kluczem) nazywany jest nieliniowy dzielnik
napięcia złożony z rezystora i diody. Oczywiście elementem nieliniowym jest
dioda.
Na rysunku 3.15 pokazane są możliwe konfiguracje układu klucza
diodowego i jego charakterystyki przejściowe (oczywiście są to
charakterystyki uproszczone).
Układy te różnią się jedynie umiejscowieniem zacisków wejściowych
i wyjściowych. Wystarczy więc przeanalizować działanie jednego z nich
przedstawionego na rysunku 3.16.
Na układ klucza diodowego z rysunku 3.16 składają się dioda D i rezystor
R. Klucz pobudzany jest impulsem prostokątnym otrzymywanym ze źródła
Ug, którego rezystancja wewnętrzna wynosi Rg. Jeżeli napięcie pobudzające
jest wystarczająco duże to klucz diodowy zostaje włączony czyli dioda
przewodzi, a wejście z wyjściem jest połączone. Inaczej mówiąc na wyjściu
pojawi się takie samo napięcie jak na wejściu, oczywiście jeśli pominąć
napięcie przewodzenia diody U

F

czy spadek napięcia na Rg. Gdy impuls

pobudzający zmieni polaryzację to dioda jest zatkana lub mówiąc inaczej
klucz jest wyłączony, a wejście z wyjściem rozłączone.
Gdy klucz diodowy jest włączony to w obwodzie płynie prąd I

F

, którego

wartość można wyliczyć ze wzoru:

rys. 3.15

a napięcie wyjściowe wynosi wówczas:

Z tego wzoru widać, że aby wpływ na napięcie wyjściowe U

wy

spadku

napięcia U

F

na przewodzącej diodzie i na rezystancji wewnętrznej źródła Rg

był znikomy to napięcie pobudzające U

g

musi być znacznie większe od U

F

, a

R musi być znacznie większe od Rg.
Wadą klucza diodowego jest również to, że jest on wrażliwy na zmiany
obciążenia reagując zmianą napięcia wyjściowego. Inną wadą jest
przenoszenie się wszelkich zakłóceń w obu kierunkach (oczywiście w czasie
włączenia klucza). Pomimo tych wad klucze diodowe są stosowane
szczególnie w technice impulsowej, ponieważ posiadają zaletę jaką jest
bardzo mała bezwładność.

rys. 3.16

Ogranicznik diodowy
Układ pokazany na rysunku 3.17 ma za zadanie ograniczanie wzrostu
napięcia wyjściowego powyżej napięcia +4,6V (zakładając, że spadek
napięcia na przewodzącej diodzie wynosi 0,6V). Na katodzie diody występuje
napięcie 4V (aby obliczyć w tym miejscu to napięcie wystarczy skorzystać ze
wzoru na

dzielnik napięcia

). Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 4,6V

to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone
do wartości:

U

wy

= 4V + 0,6V = 4,6V

Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 4,6V napięcie
wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości. Dla napięć
wejściowych mniejszych od 4,6V napięcie na wyjściu będzie równe
wejściowemu. Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich
rezystancja zastępcza czyli rezystancja połączonych równolegle R2 i R3 (przy
obliczaniu rezystancji zastępczej źródło napięcia +12V należy potraktować
jak zwarcie do masy) była mała w porównaniu z rezystorem R1, gdyż to
pozwoli na zmniejszenie niestałości źródła napięcia odniesienia opartego na
dzielniku napięcia (R2 i R3).
Aby sprawdzić czy potrafisz zaprojektować i obliczyć ogranicznik diodowy
spróbuj rozwiązać

zadanie 3.3

.

rys. 3.17

Literatura:

"Sztuka elektroniki" - P.Horowitz i W.Hill

"Układy półprzewodnikowe" - U.Tietze i Ch.Schenk

"Podstawowe układy elektroniczne" - W.Nowakowski

UWAGA: Wszystkie umieszczone schematy, informacje i przykłady mają służyć tylko do własnych celów edukacyjnych i nie należy ich

wykorzystywać do żadnych konkretnych zastosowań bez przeprowadzenia własnych prób i doświadczeń, gdyż nie udzielam żadnych gwarancji, że

podane informacje są całkowicie wolne od błędów i nie biorę odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikające z zastosowania podanych

informacji, schematów i przykładów.

Wszystkie nazwy handlowe, nazwy produktów oraz znaki towarowe umieszczone na tej stronie są zastrzeżone dla ich właścicieli.

Używanie ich tutaj nie powinno być uważane za naruszenie praw właściciela, jest tylko potwierdzeniem ich dobrej jakości.

All trademarks mentioned herein belong to their respective owners.

They aren't intended to infringe on ownership but only to confirm a good quality.

Strona wygląda równie dobrze w rozdzielczości 1024x768, jak i 800x600.

Optymalizowana była pod IE dlatego polecam przeglądanie jej w IE5.5 lub nowszych przy rozdzielczości 1024x768.

© Copyright 2001-2005 Elektronika analogowa