Dioda półprzewodnikowa
złącze p-n
 Anoda  Katoda
Warstwa
półprzewodnik półprzewodnik
zaporowa
Dioda niespolaryzowana
typu p typu n
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 uniemo\
liwiajÄ…ca
przepływ prądu. Na złączu powstaje napięcie dyfuzyjne UJ,
które dla diod krzemowych wynosi od 0,6 V do 0,8 V, a dla
UJ
diod germanowych wynosi ono od 0,2 V do 0,3 V
Dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym
Po przyło\
eniu dodatniego potencjału do obszaru n i
ujemnego do obszaru p (napięcie UD) warstwa zaporowa
Uk
UJ
powiększa się i przepływ prądu jest nadal niemo\
liwy.
A
Warstwa
+ Uz -
+ UD -
Dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia
Po przyło\
eniu ujemnego potencjału do obszaru n i
dodatniego do obszaru p warstwa zaporowa maleje i w miarÄ™
jak narasta napięcie UD, prąd diody rośnie. Gdy UD>UJ
UJ
Uk
warstwa zaporowa znika i prąd gwałtownie rośnie przy
zaporowa
Warstwa
niewielkim wzroście napięcia UD.
- Uz +
- UD +
Diody prostownicze
Charakterystyka prądowo-napięciowa
Zale\
ność prądu od napięcia w diodzie
Katoda Anoda
60
półprzewodnikowej nie jest zgodna z prawem
50
Ohma i wynosi:
Kierunek
40
przewodzenia
30
îÅ‚ eUD Å‚Å‚
ëÅ‚ öÅ‚
diody
I = I0 ïÅ‚expìÅ‚ -1śł
÷Å‚
20
nkT
íÅ‚ Å‚Å‚
ðÅ‚ ûÅ‚
10
0
k - stała Boltzmanna,
-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5
-10
e - Å‚adunek elektronu,
U [V]
-20
T - temperatura,
Kierunek zaporowy
n - wielkość bezwymiarowa zale\
na od
diody
konstrukcji i sposobu domieszkowania diody i
UJ napięcie dyfuzyjne diody
mieści się w granicach od 1 do 2
ëÅ‚ öÅ‚
UD
w przybli\
eniu:
I H" I0 expìÅ‚ ÷Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚
nÕ
íÅ‚ Å‚Å‚
Gdzie
kT
Õ =
e
jest potencjałem termicznym (potencjał elektrokinetyczny), który w temperaturze pokojowej
wynosi około 26 mV
I
[mA]
Diody prostownicze
Jedno-połówkowy prostownik napięcia przemiennego
Z prawa Ohma:
uwej (t)
uwyj(t)= R0i(t)
Z II prawa Kirchhoffa:
0
uwyj(t) = u0 sinÉt - uD(t)
t
uD(t) = u0 sinÉt - uwyj(t)
Dla diody krzemowej, na podstawie jej charakterystyki
prądowo-napięciowej, mo\
na zało\
yć, \
e:
i(t)H" 0A gdy uD(t)< 0,7V
i(t) `" 0A gdy uD(t)H" 0,7V
Napięcie na diodzie i napięcie wyjściowe zmieniają się w
t
czasie zgodnie z poni\
szymi równaniami:
0 gdy uD(t)< 0,7V
Å„Å‚
Napięcie wyjściowe uwyj(t) (spadek
uwyj(t)=
òÅ‚u sinÉt - 0,7V gdy uD(t)H" 0,7V
napięcia na rezystorze R0) jest
ół 0
ró\
ne od zera tylko dla dodatnich
u0 sinÉt gdy uwyj(t) H" 0V
Å„Å‚
wartości napięcia wejściowego.
uD(t) H"
òÅ‚
0,7V gdy uwyj(t) = u0 sinÉt - 0,7V
ół
Diody prostownicze
Dwu-połówkowy prostownik napięcia przemiennego
Prostownik z dwiema diodami
Prostownik z mostkiem Gretza
i dwoma z
ródłami zasilania
i jednym z
ródłem zasilania
A
Kierunek przepływu prądu
w chwili gdy:
---- potencjał w punkcie A
0
jest większy od potencjału
0 w punkcie B,
---- potencjał w punkcie B
jest większy od potencjału
w punkcie A.
B B A
W obydwu rodzajach prostowników
uwyj(t)
wystąpi efekt dwu-połówkowego
prostowania napięcia wejściowego:
t
uwyj(t)H" uwej(t)
Diody prostownicze
Zamiana napięcia przemiennego na napięcie stałe
Początkowo, w przedziale czasu t od 0 do T/4 następuje
Å‚adowaniu kondensatora prÄ…dem i(t). Zgodnie z drugim
prawem Kirchhoffa dla oczka I napięcie uC(t) na
okładkach kondensatora wynosi:
I
0
uC(t) = u0 sinÉt - 0,7V
II
W chwili t = T/4 napięcie na okładkach kondensatora
osiąga największą wartość:
uwej(t)
uC(t) = u0 - 0,7V
Następnie napięcie wejściowe zaczyna opadać i napięcie
uD(t) na diodzie zaczyna maleć poni\
ej wartości 0,7 V.
Prąd i(t) diody przestaje płynąć, a\
do momentu gdy
t
napięcie wejściowe osiągnie wartość:
uwej(t) = uC(t)+ 0,7V
W czasie gdy prąd i(t) nie płynie, napięcie uC(t) maleje
uwyj(t)
(kondensator rozładowuje się w obwodzie II ze stałą
uT(t)
u0-0,7V
czasowÄ… Ä=R0C).
Z drugiego prawa Kirchhoffa dla oczka II, napięcie
uCONST
wyjściowe uwyj(t) jest równe napięciu uC(t) i wynosi:
uwyj(t)= uCONST + uT (t)
Gdzie uCONST jest składową stałą napięcia wyjściowego,
t
T/4 T
a uT(t) napięciem tętnień.
Diody prostownicze
Zamiana napięcia przemiennego na napięcie stałe
Rezystancja R0 Rezystancja R0
większa
mniejsza
uwyj(t)
Wadą układu z prostownikiem jedno-
połówkowym jest zmniejszanie się
składowej stałej uCONST i jednoczesny
wzrost składowej uT(t) w miarę jak
rezystancja R0 odbiornika maleje (coraz
szybciej rozładowuje się kondensator C 
staÅ‚a czasowa obwodu Ä jest coraz
t
mniejsza).
prostownik dwu-
prostownik jedno-
połówkowy
połówkowy
uwyj(t)
uT1(t)
uT2(t)
Zastosowanie prostownika dwu-
połówkowego powoduje, \
e przy tej samej
stałej czasowej obwodu R0C, napięcie
tętnień uT(t) zmniejsza się około dwa razy, a
napięcie stałe uCONST jest większe w
stosunku do układu z prostownikiem jedno-
połówkowym.
t
Dioda Zenera
Charakterystyka prądowo-napięciowa
Gdy napięcie wsteczne na diodzie Zenera osiągnie wartość UZ, to następuje gwałtowne
narastanie prądu związane z odwracalnym przebiciem Zenera. Wartość tego napięcia
praktycznie nie zale\
y od prądu płynącego przez diodę.
UZ napięcie Zenera
UZ napięcie Zenera
Produkowane diody Zenera
mają ró\
ne napięcia
przebicia UZ. Wartości
tych napięć wahają się od
1,5 V do 24 V:
iZ0
Katoda Anoda
ip0
Prąd iZ0 oznacza minimalną wartość prądu jaki musi płynąć przez diodę, poni\
ej
którego napięcie na diodzie zacznie zdecydowanie maleć. Je\
eli zostanie
przekroczona wartość prądu iZp to dioda ulegnie zniszczeniu.
Prądy iZ0 i iZp wyznaczają zakres pracy diody Zenera jako stabilizatora napięcia.
Dioda Zenera
Stabilizator napięcia
Diody Zenera słu\
ą do stabilizacji napięć. Dzięki ich zastosowaniu mo\
na zamienić napięcie zmienne na
napięcie stałe o wartości równej napięciu przebicia Zenera. uS(t)
uS(t)
i(t)
i(t)
RS
RS
R
R
Z drugiego prawa Kirchhoffa dla oczka II:
iZ(t) IR
iZ(t) IR
Uwyj = UZ
I
I
Uwyj
Uwyj
UZ R
UZ R0
Jeśli w dowolnej chwili czasu prą iZ(t) będzie mniejszy od
uwej= uCONST +uT(t)
uwej= uCONST +uT(t)
iZp i większy od iZ0 , to napięcie diody Zenera nie będzie
II
II
zale\
ało od tego prądu i napięcie Uwyj = const
umax uwej(t)
u(t) Uwyj
uT(t)
Uwyj = UZ = const
uCONST
UZ
t
Wadą układu jest niewielka wartość prądu, który płynąc rezystor RS nie spowoduje zniszczenia diody
(porównywalna z dopuszczalnym prądem iZp diody Zenera  od kilku do kilkudziesięciu mA)
Dioda Zenera
uS(t)
uS(t)
Stabilizator napięcia
RS i(t)
RS i(t)
R
R
Z prawa Ohma i z drugiego prawa Kirchhoffa dla oczka I:
iZ(t) IR
iZ(t) IR
uCONST + uT (t)- uS (t)-UZ = 0
uS (t)= RSi(t)
i
I
I
Uwyj
Uwyj
UZ R
UZ R0
Z powy\
szych równań otrzymujemy:
uwej= uCONST +uT(t)
uwej= uCONST +uT(t)
uCONST -UZ uT (t)
II
II
i(t)= +
RS RS
Z pierwszego prawa Kirchhoffa, prąd iZ(t) płynący
Dla danej diody Zenera (iZp, iZ0 i UZ) i prÄ…du IR
przez diodÄ™ Zenera wynosi:
płynącego przez rezystor obcią\
enia R0 rezystancja
Rs musi zawierać się w wyznaczonym przedziale.
iZ (t)= i(t)- IR
Największą wartość prądu IRmax jaka mo\
e
W celu poprawnej pracy diody Zenera jako
wypływać ze stabilizatora do obcią\
enia R0
stabilizatora, w dowolnej chwili czasu musi być
obliczamy z porównania górnego i dolnego
spełniony warunek:
ograniczenia na rezystancjÄ™ Rs:
iZ 0 < iZ (t)< iZp
uCONST -UZ umax -UZ
=
uCONST -UZ uT (t)
iZ 0 < + - IR < iZp
iZ 0 + IR max iZp + IR max
RS RS
Wynosi ona:
Po przekształceniach otrzymujemy:
uCONST -UZ
uCONST -UZ umax -UZ
(
IR max = iZp - iZ 0 )u - uCONST - iZ 0
> RS >
iZ 0 + IR iZp + IR
max
Dioda Zenera
Stabilizator napięcia
Przykład:
Zaprojektować stabilizator napięcia mając do dyspozycji diodę Zenera, dla której iZp = 30 mA, iZ0 = 5
mA i UZ = 5 V. Napięcie uCONST z
ródła zasilania wynosi 10 V, a dopuszczalna amplituda tętnień wynosi
2 V (umax = 12 V). Rezystancja obciÄ…\
enia R0 wynosi 200 &!.
UZ 5 V
Prąd I R jaki będzie wypływał ze stabilizatora wynosi:
I'R = = = 25 mA
R0 200 &!
Sprawdzamy czy I R jest mniejszy od największego prądu dopuszczalnego dla stabilizatora IRmax:
uCONST -UZ 10 - 5
(
IR max = iZp - iZ 0 )u - uCONST - iZ 0 = (30 - 5) - 5 = 57,5 mA > 25 mA
12 -10
max
RS = 150 &!
RS = 150 &!
Wyliczamy wartość rezystancji RS :
i(t) = 33÷47 mA
i(t) = 33÷47 mA
R
R
10 - 5 V 10 - 5 V
îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚
IR=25 mA
IR=25 mA
> RS >
iZ (t) = 8÷ 22 mA
iZ (t) = 8÷ 22 mA
ïÅ‚mA śł ïÅ‚mA śł
5 + 25 5 + 25
ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚
166[&!]> RS > 127[&!]
R0 Uwyj=5 V
R0 Uwyj=5 V
uwej= 10 V Ä… 2 V
uwej= 10 V Ä… 2 V
Wybieramy wartość rezystancji RS = 150 &!