Dioda półprzewodnikowa
złącze p-n
Dioda niespolaryzowana
Po zetknięciu półprzewodników typu n i p następuje dyfuzja
dziur z obszaru p do obszaru n i elektronów z obszaru n do
obszaru p, powstaje warstwa zaporowa uniemoŜliwiająca
przepływ prądu. Na złączu powstaje napięcie dyfuzyjne U
J
,
które dla diod krzemowych wynosi od 0,6 V do 0,8 V, a dla
diod germanowych wynosi ono od 0,2 V do 0,3 V
Dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym
Po przyłoŜeniu dodatniego potencjału do obszaru n i
ujemnego do obszaru p (napięcie U
D
) warstwa zaporowa
powiększa się i przepływ prądu jest nadal niemoŜliwy.
Dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia
Po przyłoŜeniu ujemnego potencjału do obszaru n i
dodatniego do obszaru p warstwa zaporowa maleje i w miarę
jak narasta napięcie U
D
, prąd diody rośnie. Gdy U
D
>U
J
warstwa zaporowa znika i prąd gwałtownie rośnie przy
niewielkim wzroście napięcia U
D
.
Warstwa
U
k
+
U
z
-
A
U
J
półprzewodnik
typu p
Warstwa
zaporowa
półprzewodnik
typu n
Warstwa
U
k
zaporowa
-
U
z
+
U
J
U
J
+ U
D
-
-
U
D
+
„Anoda”
„Katoda”
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
I
[
m
A
]
U [V]
Diody prostownicze
Charakterystyka prądowo-napięciowa
−
=
1
exp
0
nkT
eU
I
I
D
≈
ϕ
n
U
I
I
D
exp
0
e
kT
=
ϕ
Gdzie
U
J
napięcie dyfuzyjne diody
k - stała Boltzmanna,
e - ładunek elektronu,
T - temperatura,
n - wielkość bezwymiarowa zaleŜna od
konstrukcji i sposobu domieszkowania diody i
mieści się w granicach od 1 do 2
w przybliŜeniu:
ZaleŜność prądu od napięcia w diodzie
półprzewodnikowej nie jest zgodna z prawem
Ohma i wynosi:
jest potencjałem termicznym (potencjał elektrokinetyczny), który w temperaturze pokojowej
wynosi około 26 mV
Kierunek zaporowy
diody
Kierunek
przewodzenia
diody
Anoda
Katoda
0
Diody prostownicze
Jedno-połówkowy prostownik napięcia przemiennego
( )
( )
( )
( )
V
7
,
0
gdy
A
0
V
7
,
0
gdy
A
0
≈
≠
<
≈
t
u
t
i
t
u
t
i
D
D
( )
( )
( )
( )
( )
( )
V
7
,
0
sin
gdy
V
7
,
0
V
0
gdy
sin
V
7
,
0
gdy
V
7
,
0
sin
V
7
,
0
gdy
0
0
0
0
−
=
≈
≈
≈
−
<
=
t
u
t
u
t
u
t
u
t
u
t
u
t
u
t
u
t
u
wyj
wyj
D
D
D
wyj
ω
ω
ω
( )
( )
t
i
R
t
u
wyj
0
=
( )
( )
t
u
t
u
t
u
D
wyj
−
=
ω
sin
0
Z prawa Ohma:
Z II prawa Kirchhoffa:
Dla diody krzemowej, na podstawie jej charakterystyki
prądowo-napięciowej, moŜna załoŜyć, Ŝe:
( )
( )
t
u
t
u
t
u
wyj
D
−
=
ω
sin
0
Napięcie na diodzie i napięcie wyjściowe zmieniają się w
czasie zgodnie z poniŜszymi równaniami:
u
wej
(t)
t
t
Napięcie wyjściowe
u
wyj
(t)
(spadek
napięcia na rezystorze R
0
) jest
róŜne od zera tylko dla dodatnich
wartości napięcia wejściowego.
B
A
0
A
B
0
Diody prostownicze
Dwu-połówkowy prostownik napięcia przemiennego
Prostownik z mostkiem Gretza
i jednym źródłem zasilania
Prostownik z dwiema diodami
i dwoma źródłami zasilania
Kierunek przepływu prądu
w chwili gdy:
----
potencjał w punkcie A
jest większy od potencjału
w punkcie B,
----
potencjał w punkcie B
jest większy od potencjału
w punkcie A.
u
wyj
(t)
t
W obydwu rodzajach prostowników
wystąpi efekt dwu-połówkowego
prostowania napięcia wejściowego:
( )
( )
t
u
t
u
wej
wyj
≈
I
II
0
( )
V
7
,
0
sin
0
−
=
t
u
t
u
C
ω
Początkowo, w przedziale czasu t od 0 do T/4 następuje
ładowaniu kondensatora prądem i(t). Zgodnie z drugim
prawem Kirchhoffa dla oczka I napięcie u
C
(t) na
okładkach kondensatora wynosi:
Diody prostownicze
Zamiana napięcia przemiennego na napięcie stałe
W chwili t = T/4 napięcie na okładkach kondensatora
osiąga największą wartość:
( )
V
7
,
0
0
−
=
u
t
u
C
Następnie napięcie wejściowe zaczyna opadać i napięcie
u
D
(t) na diodzie zaczyna maleć poniŜej wartości 0,7 V.
Prąd i(t) diody przestaje płynąć, aŜ do momentu gdy
napięcie wejściowe osiągnie wartość:
( )
( )
V
7
,
0
+
=
t
u
t
u
C
wej
W czasie gdy prąd i(t) nie płynie, napięcie u
C
(t) maleje
(kondensator rozładowuje się w obwodzie II ze stałą
czasową
τ
=R
0
C).
Z drugiego prawa Kirchhoffa dla oczka II, napięcie
wyjściowe u
wyj
(t) jest równe napięciu u
C
(t) i wynosi:
( )
( )
t
u
u
t
u
T
CONST
wyj
+
=
Gdzie u
CONST
jest składową stałą napięcia wyjściowego,
a u
T
(t) napięciem tętnień.
T
T/4
t
u
T
(t)
u
0
-0,7V
u
wyj
(
t
)
u
CONST
t
u
wej
(t)
u
T1
(
t
)
u
T2
(
t
)
t
u
wyj
(t)
Diody prostownicze
Zamiana napięcia przemiennego na napięcie stałe
Wadą układu z prostownikiem jedno-
połówkowym jest zmniejszanie się
składowej stałej u
CONST
i jednoczesny
wzrost składowej u
T
(t) w miarę jak
rezystancja R
0
odbiornika maleje (coraz
szybciej rozładowuje się kondensator C –
stała czasowa obwodu
τ
jest coraz
mniejsza).
t
u
wyj
(t)
Zastosowanie prostownika dwu-
połówkowego powoduje, Ŝe przy tej samej
stałej czasowej obwodu R
0
C, napięcie
tętnień u
T
(t) zmniejsza się około dwa razy, a
napięcie stałe u
CONST
jest większe w
stosunku do układu z prostownikiem jedno-
połówkowym.
Rezystancja R
0
mniejsza
Rezystancja R
0
większa
prostownik dwu-
połówkowy
prostownik jedno-
połówkowy
Dioda Zenera
Charakterystyka prądowo-napięciowa
Produkowane diody Zenera
mają róŜne napięcia
przebicia
U
Z
. Wartości
tych napięć wahają się od
1,5 V do 24 V:
Gdy napięcie wsteczne na diodzie Zenera osiągnie wartość U
Z
, to następuje gwałtowne
narastanie prądu związane z odwracalnym przebiciem Zenera. Wartość tego napięcia
praktycznie nie zaleŜy od prądu płynącego przez diodę.
U
Z
napięcie Zenera
U
Z
napięcie Zenera
i
Z0
i
p0
Prąd
i
Z0
oznacza minimalną wartość prądu jaki musi płynąć przez diodę, poniŜej
którego napięcie na diodzie zacznie zdecydowanie maleć. JeŜeli zostanie
przekroczona wartość prądu
i
Zp
to dioda ulegnie zniszczeniu.
Prądy
i
Z0
i
i
Zp
wyznaczają zakres pracy diody Zenera jako stabilizatora napięcia.
Anoda
Katoda
U
wyj
R
u
wej
= u
CONST
+u
T
(t)
R
S
U
Z
i(t)
R
i
Z
(t)
I
R
u
S
(t)
I
II
U
wyj
R
u
wej
= u
CONST
+u
T
(t)
R
S
U
Z
i(t)
R
i
Z
(t)
I
R
u
S
(t)
I
II
0
Dioda Zenera
Stabilizator napięcia
Diody Zenera słuŜą do stabilizacji napięć. Dzięki ich zastosowaniu moŜna zamienić napięcie zmienne na
napięcie stałe o wartości równej napięciu przebicia Zenera.
Z drugiego prawa Kirchhoffa dla oczka II:
Jeśli w dowolnej chwili czasu prą i
Z
(t) będzie mniejszy od
i
Zp
i większy od i
Z0
, to napięcie diody Zenera nie będzie
zaleŜało od tego prądu i napięcie U
wyj
= const
Z
wyj
U
U
=
const
=
=
Z
wyj
U
U
Wadą układu jest niewielka wartość prądu, który płynąc rezystor R
S
nie spowoduje zniszczenia diody
(porównywalna z dopuszczalnym prądem
i
Zp
diody Zenera – od kilku do kilkudziesięciu mA)
u
max
u(t)
U
Z
U
wyj
u
CONST
u
T
(t)
t
u
wej
(t)
U
wyj
R
u
wej
= u
CONST
+u
T
(t)
R
S
U
Z
i(t)
R
i
Z
(t)
I
R
u
S
(t)
I
II
U
wyj
R
u
wej
= u
CONST
+u
T
(t)
R
S
U
Z
i(t)
R
i
Z
(t)
I
R
u
S
(t)
I
II
0
Dioda Zenera
Stabilizator napięcia
( )
( )
t
i
R
t
u
S
S
=
( )
( )
0
=
−
−
+
Z
S
T
CONST
U
t
u
t
u
u
Z prawa Ohma i z drugiego prawa Kirchhoffa dla oczka I:
Z powyŜszych równań otrzymujemy:
( )
( )
S
T
S
Z
CONST
R
t
u
R
U
u
t
i
+
−
=
Z pierwszego prawa Kirchhoffa, prąd i
Z
(t) płynący
przez diodę Zenera wynosi:
( ) ( )
R
Z
I
t
i
t
i
−
=
i
W celu poprawnej pracy diody Zenera jako
stabilizatora, w dowolnej chwili czasu musi być
spełniony warunek:
( )
( )
Zp
R
S
T
S
Z
CONST
Z
Zp
Z
Z
i
I
R
t
u
R
U
u
i
i
t
i
i
<
−
+
−
<
<
<
0
0
Dla danej diody Zenera (i
Zp
, i
Z0
i U
Z
) i prądu I
R
płynącego przez rezystor obciąŜenia R
0
rezystancja
R
s
musi zawierać się w wyznaczonym przedziale.
R
Zp
Z
S
R
Z
Z
CONST
I
i
U
u
R
I
i
U
u
+
−
>
>
+
−
max
0
Po przekształceniach otrzymujemy:
Największą wartość prądu I
Rmax
jaka moŜe
wypływać ze stabilizatora do obciąŜenia R
0
obliczamy z porównania górnego i dolnego
ograniczenia na rezystancję R
s
:
(
)
0
max
0
max
Z
CONST
Z
CONST
Z
Zp
R
i
u
u
U
u
i
i
I
−
−
−
−
=
max
max
max
0
R
Zp
Z
R
Z
Z
CONST
I
i
U
u
I
i
U
u
+
−
=
+
−
Wynosi ona:
Dioda Zenera
Stabilizator napięcia
Przykład:
Zaprojektować stabilizator napięcia mając do dyspozycji diodę Zenera, dla której i
Zp
= 30 mA, i
Z0
= 5
mA i U
Z
= 5 V. Napięcie u
CONST
ź
ródła zasilania wynosi 10 V, a dopuszczalna amplituda tętnień wynosi
2 V (u
max
= 12 V). Rezystancja obciąŜenia R
0
wynosi 200
Ω.
Prąd I’
R
jaki będzie wypływał ze stabilizatora wynosi:
mA
200
V
25
5
'
0
=
Ω
=
=
R
U
I
Z
R
Sprawdzamy czy I’
R
jest mniejszy od największego prądu dopuszczalnego dla stabilizatora I
Rmax
:
(
)
(
)
mA
25
mA
>
=
−
−
−
−
=
−
−
−
−
=
5
,
57
5
10
12
5
10
5
30
0
max
0
max
Z
CONST
Z
CONST
Z
Zp
R
i
u
u
U
u
i
i
I
Wyliczamy wartość rezystancji R
S
:
[ ]
[ ]
Ω
>
>
Ω
+
−
>
>
+
−
127
166
25
5
5
10
25
5
5
10
S
S
R
R
mA
V
mA
V
Wybieramy wartość rezystancji R
S
= 150
Ω
R
u
wej
= 10 V ± 2 V
R
S
= 150
Ω
i(t) = 33
÷
47 mA
R
0
i
Z
(t) = 8
÷
22 mA
I
R
=25 mA
U
wyj
=5 V
R
u
wej
= 10 V ± 2 V
R
S
= 150
Ω
i(t) = 33
÷
47 mA
R
0
i
Z
(t) = 8
÷
22 mA
I
R
=25 mA
U
wyj
=5 V