Elektronika analogowa - Diody









DIV.naglowek {
FONT-SIZE: 12px; LINE-HEIGHT: 130%
}
A.etykieta {
COLOR: #0000c0
}















archiwum         literatura         linki         księga
gości         kontakt





Dioda - Charakterystyka diody
- Przełączanie
diody - Dioda Schottky'ego
- Dioda Zenera -
Dioda jako
prostownik - Prostownik w
zasilaczu - Dioda jako klucz -
Ogranicznik
diodowy



Dioda jest elementem
półprzewodnikowym i aby wyjaśnić jej działanie musiałbyś poznać budowę
złącza p-n, a tutaj kłania się fizyka ciała stałego. Żeby można było
skorzystać z właściwości diody nie jest to
niezbędne.   Dioda podobnie jak elementy RLC jest
elementem dwukońcówkowym, biernym (lub jak kto woli - pasywnym) ale w
odróżnieniu od nich jest elementem nieliniowym.   W
przypadku diody nie ma zastosowania prawo Ohma ale za to ma ona bardzo
pożyteczną cechę, a mianowicie prąd może przez nią płynąć tylko w jednym
kierunku.











   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 UAK>0 to będzie ona
spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody.
W przypadku gdy napięcie UAK<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 diodyNa rys. 3.2 przedstawiona
jest charakterystyka diody ID=ID(UAK).
Jak widać na rysunku już przy bardzo małych napięciach UAK
(jest to napięcie na diodzie) prąd płynący przez diodę ID (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 IFmax. Napięcie przewodzenia
diody UF określa się przy prądzie przewodzenia
IF=0,1·IFmax. 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:          -
IS jest teoretycznym prądem
wstecznym,          -
m jest współczynnikiem korekcyjnym i wynosi od 1 do
2,          -
UT=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     IS=10
pA,     mUT=30
mV,   IFmax=100
mA          - dioda
germanowa   IS=100
nA,   mUT=30
mV,   IFmax=100 mA.Z charakterystyki
można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu
przewodzenia IF=0,1·IFmax. Dla diody germanowej
napięcie przewodzenia jest równe 0,35V, a dla diody krzemowej
0,62V.Przełączanie diodyOprócz napięcia
przewodzenia, napięcia wstecznego czy też prądu przewodzenia, bardzo
ważnym parametrem diody jest jej czas magazynowania ładunku tm. Proces wyłączania diody
pokazany jest na przebiegach czasowych na rys. 3.4. Dioda D włączona
w układ z źródłem napięcia Ug nie wyłącza się od razu po
zmianie napięcia Ug 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'egoW 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
(UF=0,3V) niż diody krzemowe.Dioda ZeneraDioda
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 UZ.   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 DID towarzyszą bardzo małe
zmiany spadku napięcia DUAK i przyjmuje się, że
napięcie na diodzie nie zmienia się i jest równe napięciu Zenera
UZ.   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
prostownikJednym 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. Ug jest źródłem napięcia
przemiennego, a RL jest rezystancją reprezentującą obciążenie
prostownika. W tym przypadku (rys. 3.10) źródłem napięcia wejściowego
Ug 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 UL 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
Ug>0.6V). Można więc powiedzieć, że jest to prostownik
jednopołówkowy. Napięcie UL występuje więc jedynie przez połowę
okresu napięcia wejściowego Ug.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 Ug i wyjściowego UL przedstawione
są na rys. 3.12.   Dla dodatniej połówki sinusoidy
sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do
obciążenia RL, dalej poprzez diodę D3 do źródła Ug.
Następnie dla połówki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez
diodę D2 do obciążenia RL jak widać zachowując ten sam kierunek
przepływu prądu przez obciążenie jak dla połówki dodatniej, a następnie
poprzez diodę D4 z powrotem do źródła Ug. 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 Ug musi być większe od podwojonego
napięcia przewodzenia diody (Ug>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 RL. 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 RL·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 Ut równe jest DU. Aby zapewnić małą amplitudę tętnień
to wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RL·C>>1/fgdzie 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)·DtDla
Dt=T=1/f
- prostowanie
jednopołówkowe
Dt=½T=1/2f
- prostowanie
dwupołówkowegdzie 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 IL 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
kluczPodstawową 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
UF 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 IF, którego wartość
można wyliczyć ze wzoru:







rys.
3.15





a napięcie wyjściowe wynosi
wówczas:





Z tego wzoru widać, że
aby wpływ na napięcie wyjściowe Uwy spadku napięcia
UF na przewodzącej diodzie i na rezystancji wewnętrznej źródła
Rg był znikomy to napięcie pobudzające Ug musi być znacznie
większe od UF, 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
diodowyUkład 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:
Uwy= 4V + 0,6V = 4,6VTak 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. 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







nowości na stronie |
elektronika w kraju i na
świecie | nowe elementy i
podzespoły | ciekawe rozwiązania
układowe | katalogi | schematy | teoria -
wstęp | podstawowe prawa |
elementy RLC | diody | tranzystory | źródła
napięcia i prądu | wzmacniacze operacyjne
| elementy
optoelektroniczne | filtry i generatory |
stabilizatory | zasilacze | zadania
i przykłady | trochę matematyki |


© Copyright 2001 - http://www.elektronika.qs.pl/