Diody

Dioda jest to przyrząd elektroniczny z dwiema elektrodami mający niesymetryczna charakterystykę prądu płynącego na wyjściu w funkcji napięcia na wejściu.

Symbole graficzne diody, półprzewodnikowej (a) i próżniowej (b) oraz charakterystyka diody (c)

Dzięki takiej charakterystyce diody można stosować w wielu układach jako element , który łatwo przepuszcza prąd w jednym kierunku i prawie nie przepuszcza go w kierunku przeciwnym.

Rozróżnia się diody półprzewodnikowe pracujące na zasadzie wykorzystania właściwości złącza p-n powstałego z połączenia półprzewodnika typu n i typu p.

Złącza p-n

Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n.

Koncentracja elektronów swobodnych w obszarze n jest znacznie, większa niż w obszarze p, w którym stanowią one nośnik mniejszościowe. Podobnie w obszarze n następuje większa koncentracja dziur. Wskutek różnicy koncentracji ładunków następuje dyfuzja nośników większościowych: elektronów z obszaru n do p i dziur z obszaru p do n.

W wyniku procesu dyfuzji w warstwie granicznej po stronie obszaru n zanikają elektrony swobodne, a pozostaje niezrównoważone elektrycznie dodatnie jony donorów, tworząc dodatni ładunek przestrzenny. W analogiczny sposób powstaje ujemny ładunek przestrzenny po stronie obszaru p.

Na złączu powstaje pole elektryczne i bariera potencjału. Pole elektryczne przeciwdziała dyfuzji nośników większościowych, natomiast sprzyja przepływowi nośników mniejszościowych: elektronów swobodnych z obszaru p do n i dziur z obszaru n do p.

W warunkach równowagi dynamicznej złącza prądy te wzajemnie

się kompensuje.

Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia	Złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym

Gdy do złącza p-n doprowadzone zostanie z zewnątrz napięcie dodatnie: biegun źródła połączony z obszarem p, a ujemny biegun z obszarem n to bariera potencjału obniża się o wartość tego napięcia. Przez obszar przejściowy przepływa duży prąd dziurowy z p do n i prąd elektronowy z n do p. Ten sposób polaryzacji złącza nazywa się polaryzacją w kierunku przewodzenia (dobre przewodzenie prądu) co oznacza mała rezystancję wewnętrzna. W przypadku polaryzacji odwrotnej bariera potencjału zwiększa się o wartość tego napięcia na wejściu, co powoduje hamowanie przepływu nośników większościowych (tworzy się warstwa zaporowa). Ten sposób polaryzacji złącza nazywa się polaryzacja w kierunku zaporowym (przez złącze przypływa nieznaczny prąd wsteczny wywołany ruchem nośników mniejszościowych) co oznacza duża rezystancję wewnętrzna. Prąd wsteczny zależy od temperatury złącza, gdyż jego główna składowa jest prąd termiczny.

Rodzaje diod półprzewodnikowych

Rozróżnia się diody prostownicze, diody Zenera, diody tunelowe, fotodiody, diody luminescencyjne, pojemnościowe itp.

Diody prostownicze: Dioda prostownicza może być wytworzona w płytce monokryształu germanu lub krzemu w technologii dyfuzyjnej.

Z charakterystyki diody prostowniczej (dioda krzemowa) przy różnych temperaturach złącza wynika, że w stanie przewodzenia na diodzie występuje nieznaczny spadek napięcia rzędu 1 V, a w stanie zaporowym przez diodę przepływa nieznaczny prąd wsteczny silnie zależy od temperatury złącza. Przy przekroczeniu pewnej wartości napięcia wstecznego U_max prąd wsteczny szybko wzrasta, co może spowodować uszkodzenie diody. Dopuszczalna temperatura złącza p-n diod germanowych jest rzędu 90°C, a złącz krzemowych około 150°C. Diody prostownicze dużej mocy są zwykle zaopatrzone w radiatory, chłodzone wymuszonym obiegiem powietrza.

Diody Zenera: Diody Zenera są to specjalne diody krzemowe, w których wykorzystuje się zakrzywienie charakterystyki prądowo-napięciowej w obszarze przebicia.

Przebicie to nie jest niszczące, jeżeli nie zostanie przekroczona moc admisyjna diody. Przyczyną gwałtownego wzrostu prądu jest nadmierny wzrost natężenia pola elektrycznego w warstwie zaporowej wywołujący dwa zjawiska: jonizację zenera oraz jonizację lawinową.

W przypadku złączy wąskich powstających przy dużym domieszkowaniu już dla napięć kilku Voltów natężenie pola elektrycznego staje się tak duże, że następuje tzw. jonizacja zenera polegająca na przechodzeniu elektronów z pasma walencyjnego materiału p i przenoszeniu ich przez barierę do pasma przewodnictwa materiału n. Z kolei jonizacja lawinowa występująca w złączach szerokich, gdzie domieszkowanie jest niewielkie, jest spowodowana bombardowaniem atomów siatki krystalicznej przez rozpędzone elektrony powodujące lawinowy proces tworzenia się nowych nośników zwiększających szybko prąd wsteczny. Napięcia wsteczne U_Z, przy którym następuje gwałtowne zakrzywienie charakterystyki zależy od rezystywności użytego krzemu (od kilku do kilkudziesięciu Voltów). Spadek napięcia na diodzie w obszarze przebicia zwanym napięciem stabilizacji, prawie nie zależy od prądu przepływającego przez diodę a jedynie od rezystancji dynamicznej r_Z, wyrażającej stosunek przyrostu napięcia stabilizacji ΔU_S do przyrostu prądu ΔI_S: r_Z= ΔU_S/ΔI_S. W rzeczywistości r_Z diody Zenera w zakresie stabilizacji jest bardzo mała i dlatego przejmuje się, że napięcie stabilizacji jest równe wartości napięcia Zenera UZ.

Maksymalna wartość prądu I_smax, przy której dioda Zenera może pracować bez uszkodzeń, jest ograniczona jej mocą dopuszczalną P_max zgodnie z zależnością:

I_smax = P_max / U_z.

Diody Zenera znajdują szerokie zastosowanie w układach stabilizacyjnych, ograniczających napięcie, jako wysoko stabilne źródła napięć wzorcowych itp.

Diody tunelowe: Dioda tunelowa jest to dioda półprzewodnikowa, w której dzięki zastosowaniu bardzo dużej koncentracji domieszek powstaje bardzo wąska bariera pozwalająca na wstąpienie tzw. przejścia tunelowego.

Symbol graficzny diody tunelowej (a) i jej charakterystyka (b)

W charakterystyce napięciowo-prądowej diody tunelowej występuje gałąź odpowiadająca ujemnej rezystancji dynamicznej (spowodowana wzrostem napięcia i ujemnym przyrostem prądu). Przejścia elektronów przez barierę występuje zarówno przy polaryzacji wstecznej jak i przy małych napięciach polaryzacji w kierunku przewodzenia, przy której występuje maksimum prądu. Dalsze zwiększenie napięcia powoduje iż przechodzenie elektronów przez barierę zanika (małe pola elektryczne). Nazwa "tunelowy" wynika z dokładniejszej interpretacji złożonych zjawisk w złączu, która zakłada, że elektrony nie mogąc przejść w normalny sposób ponad bariera potencjału przechodzi pod barier, tzn. tunelem. Diody tunelowe są stosowane w układach wzmacniających bardzo wysokie częstotliwości.

Charakterystyka napięciowo-prądowa diody tunelowej

Fotodiody: Fotodiodę stanowi złącze p-n, w którym wykorzystuje się zjawisko generowania mniejszościowych nośników ładunku pod wpływem energii świetlnej. Fotodioda jest spolaryzowana napięciem stałym w kierunku zaporowym i oświetlona przez specjalne okienko w obudowie, wykonane w postaci soczewki. Przez fotodiody w stanie nieoświetlonym przypływa nieznaczny prąd wsteczny zwanym prądem ciemnym powstały wskutek istnienia w złączu nośników mniejszościowych, generowanych termicznie. oświetlenie fotodiody zarówno w złączu jak i na granicy między obszarami p i n powoduje wzrost liczby nośników mniejszościowych, a zatem - wzrost prądu w obwodzie (kwanty energii świetlnej generują w złączu p-n pary: elektron-dziura).

Fotodioda: a) schemat układu pracy, b) symbol graficzny, c) widok zewnętrzny

Charakterystyki napięciowo-prą­dowe fotodiody germanowej	Charakterystyki widmowe fotodiody germanowej (Ce) i krzemowej (Si)

Fotodiody wykonywane są najczęściej z germanu lub krzemu. Zaletą germanu jest większy prąd fotoelektryczny, a zaletą krzemu mniejszy prąd ciemny. Czułość fotodiody jest największa dla promieniowania o długości 1.5 μm dla germanu i 0,7 μm dla krzemu.

Diody luminescencyine (elektrotuminescencyine) LED:

Zjawisko elektroluminescencji w diodach półprzewodnikowych polega na wytwarzaniu światła pod wpływem pola elektrycznego w wyniku rekombinacji dziur i elektronów w spolaryzowanym złączu p-n (wprowadzanie dużej liczby nośników mniejszościowych przez złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia do obszaru, w którym mogą one łatwo rekombinować z nośnikami większościowymi). Przechodzenie elektronów z wyższego poziomu energetycznego na niższy powoduje wydzielanie energii w postaci światła.

Dioda luminescencyjna: a) budowa, b) symbol graficzny, c) charakterystyka napięciowo­-prądowa, d) zależność mocy promienistej od prądu

Istnieją diody elektroluminescencyjne próżniowe, gazowane i półprzewodnikowe. Ostatnie najczęściej stosowane np. arsenku galu GaAs, którego częstotliwość promieniowania leży w paśmie podczerwieni. Przez odpowiednie dozowanie domieszek fosforu można przesunąć częstotliwość promieniowania do pasma widzialnego.

W zależności od materiału, z którego wykonano diodę, otrzymuje się diody święcące czerwono, zielono itp. Diody ty stosuje się m.in. w kalkulatorach, zegarkach, przyrządach pomiarowych, jako wskaźniki poziomu sygnału ze względu na ich duża wydajność i trwałość.

Diody pojemnościowe (warikapy): Struktura złącza p-n diody pojemnościowej przypomina kondensator płaski. Okładkami tego kondensatora są obszary p i n o małej rezystywności, a dielektrykiem-­warstwa zaporowa. Szerokość warstwy zaporowej (pojemność złącza), można zmieniać przez zmianę napięcia zewnętrznego polaryzującego złącza w kierunku zaporowym. Jeżeli napięcie zaporowe wzrośnie, to obszar dielektryczny złącza ulegnie rozszerzeniu, a pojemność złącza maleje jak w kondensatorze przy rozsuwaniu jego okładek.

Przy napięciu U = 0 pojemność warikapu jest największa, a przy wzroście napięcia polaryzacji zaporowej - maleje. Warikapy wykonuje się jako diody krzemowe stosowane do automatycznego dostrajania obwodów rezonansowych, w układach wzmacniających.

Tyrtrstory: są to diody sterowane o strukturze czterowarstwowej p-n-p-n z krzemu. Końcówki przyłączone do zewnętrznych warstw p i n stanowią anodę i katodę, a końcówka przyłączona do wewnętrznej warstwy p stanowi elektroda sterującą. zwaną bramką.

Przy odłączonej bramce (otwarty łucznik w) tyrystor nie przewodzi prądu nawet przy dodatniej polaryzacji anody względem katody. Wystarczy jednak wywołać krótki impuls prądu w obwodzie bramki, aby wprowadzić tyrystor w stan przewodzenia. Tyrystor w stanie przewodzenie traci swoje własności sterownicze (płynie prąd anodowy). Zasada działania tyrystora jest identyczna jak zasada działania połączonych dwóch tranzystorów p-n-p oraz n-p-n. Gdy do tyrystora jest doprowadzone napięcie polaryzujące dodatnio anodę względem katody, zewnętrzne złącza z₁ i z₃ są spolaryzowane w kierunku przewodzenia , a złącze środkowe z₂ jest spolaryzowane zaporowo. Przez złącza z₂ przepływają dwa Prądy: prąd kolektora tranzystora p-n-p oraz prąd kolektora tranzystora n-p-n.

Z przedstawionej charakterystyki widać, że przy ujemnej polaryzacji anody względem katody tyrystor znajduje się w stanie zaporowym (charakterystyka jest analogiczna do charakterystyki diody krzemowej w obszarze napięć wstecznych). Przy polaryzacji dodatniej tyrystor znajduje się w stanie blokowania( jeżeli napięcie nie przekracza wartości napięcia przełączania U_p a mianowicie prądu bramki I_B). Gdy napięcie anodowe osiągnie U_p tyrystor przechodzi w stan przewodzenia (napięcie spada do wartości 1 V a prąd wzrasta do wartości zależnej od rezystancji obwodu zewnętrznego). Charakterystyka taka podobna jest do charakterystyki diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia.

PROSTOWNIKI

Prostowniki stosuje się przede wszystkim w odniesieniu do układów przekształcających prąd zmienny w prąd stały. Rozróżnia się prostowniki jednopołówkowe (prostowanie odbywa się w półokresie napięcia zasilającego) i dwupołówkowe (prostowanie odbywa się w całym okresie napięcia zasilającego). Odbiorniki mogą mieć charakter rezystancyjny, indukcyjny lub pojemnościowy. Rodzaj odbiornika ma istotny wpływ na przebiegi wyprostowanego napięcia i prądu. Do zasilania wielu urządzeń elektronicznych stosowane są prostowniki wyposażone w układy filtracyjne i stabilizacyjne, których zadaniem jest filtrowanie tętnień i stabilizacja wyprostowanego napięcia (zasilacze). Oprócz wymienionych prostowniki są również prostowniki trójfazowe jedno- i dwupołówkowe oraz prostowniki mające możliwość regulacji napięcia dzięki zastosowaniu zaworów sterowanych.

Prostownik niesterowane jednopołówkowe:

Prostownikiem jednopołówkowym jest prostownik, w którym po procesie prostowania pozostają tylko te części przebiegu, które są jednego znaku, a części przeciwnego znaku pozostają wyeliminowane.

t

Dioda w zależności od załączenia przewodzi prąd tylko w jednym kierunku, gdzie tylko napięcie dodatnie na jej anodzie jest większe niż potencjał katody. W półokresie ujemnym dioda nie przewodzi i całe napięcie doprowadzone do prostownika występuje na diodzie jako tzw. napięcie wsteczne prostownika.

Przy projektowaniu prostownika jednopołówkowego najważniejszymi

Prostowniki niesterowane trójfazowe iednopotówkowe i dwupołówkowe:

Układ prostowniczy składa się ze źródła napięcia przemiennego, prostownika i odbiornika energii elektrycznej. W zależności od zastosowanego źródła zasilania określa się prostowniki jako jednofazowe lub wielofazowe. W układach prostowniczych wielofazowych mogą być wykorzystane zespoły prostowników jednofazowych półokresowych lub pełnookresowych. Stosowanie w prostownikach diody (element sterowany) umożliwia zmianę fazy napięcia wyprostowanego, a tym samym sterowanie

Prostownik trójfazowy jednopolówkowy: a) schemat, b) przebiegi napięć i prądów

Z przedstawionego przykładu (prostownik dwupołówkowy trójfazowy) widać że prądy w poszczególnych zaworach przewodzi kolejno. Prądy mogą być wyrażone wzorem ogólnym:

I_k=(U_m/R). sin(ωt-(2/3).πk)

Prąd w odbiorniku jest suma prądów składowych i=i₁+i₂+i₃. Komutacja prądu odbywa się co 1/3 okresu. Wartość średnia napięcia:

wyprostowanego w powyższym układzie wynosi: a współczynnik tętnień t_k=0.187.

Prostowniik niesterowane dwupofówkowe:

Prostownikiem dwupołówkowym jest prostownik, w którym po procesie prostowania pozostaje, części przebiegu, które są jednego znaku i dodają się do nich po zmianie znaku części, które miały znak przeciwny.

Z rysunku widać, że w przypadku układu sterowanego napięciem sinusoidalnego przez transformator na diodzie D₂ występuje dodatnie napięcia, a na diodzie D2 ujemne i odwrotnie. Wynika to z faktu, że środek uzwojenia wtórnego transformatora jest uziemiony dzięki czemu mamy sytuację, w której dioda D, przewodzi, a dioda D2 nie przewodzi i odwrotnie w zależności od połówki napięcia.

Gdy mamy prostownik w układzie mostkowym (Graetza) to zgodnie z rysunkiem przewodzi dioda D₁ a nie przewodzi dioda D₂, w tym czasie w drugiej gałęzi przewodzi dioda D₃, a nie przewodzi dioda D₄ i odwrotnieD₂ i D₄ przewodzi, a D₁ i D₃ nie przewodzi.

Prostowniki sterowane: Prostownikami sterowanymi nazywane są układy prostownicze, w których zastosowano w obwodzie tyrystor.

Prostownik jednofazowy sterowany obciążony rezystancyjnie: a) schemat ideowy, b) przebieg prądu sterującego w obwodzie bramki, c) przebieg napięcia wejściowego i wyjściowego, d) przebieg napięcia wstecznego i prądu

Przy braku impulsów sterujących w obwodzie bramki tyrystor nie przewodzi prądu zarówno przy dodatniej, jak i ujemnej półfali napięcia zasilającego. Wyzwolenie tyrystora impulsem prądowym może nastąpić tylko w czasie dodatniej półfali napięcia, a mianowicie w chwili ωt=π/2 a w chwili ωt=π tyrystor przechodzi w stan zaporowy i może być włączony ponownie impulsem sterującym przy dodatniej półfali napięcia następnego cyklu. Tyrystor może być sterowany najwcześniej w chwili początkowi dodatniej półfali napięcia u₁. Kat α=π/2 nazywa się katem opóźnienia włączenia.

Średnia wartość napięcia dla danego kata a można obliczyć ze wzoru:

U_2śr=(1/2π)U_m(1+COSα)

Trójfazowy prostownik sterowany z filtrem indukcyjnym: a) schemat, b) przebiegi napięć

W układach trójfazowych, aby uzyskać ciągłość przepływu prądu obciążenia w szerokim zakresie zmian kata a (w układach wielofazowych kat a liczony jest od chwili komutacji naturalnej), stosuje się filtry indukcyjne o dużej indukcyjności. Prąd obciążenia w takich przypadkach jest zbliżony do prądu stałego. Regulacja napięcia prostownika trójfazowego odbywa się w zakresie zmian kata α od zera do π/2. Przy α=π/2 średnia wartość napięcia wyjściowego jest równa zeru.

Prostownik trójfazowy dwupołówkowy w układzie mostkowym: a) schemat, b) przebiegi napięć

Z przedstawionego przykładu (prostownik dwupołówkowy trójfazowy) widać, że prądy w poszczególnych zaworach przewodzi kolejno. Prądy mogą być wyrażone wzorem ogólnym:

Prąd w odbiorniku jest suma prądów składowych I=I₁+1₂+...+I₆. Komutacja prądu odbywa się co 1/6 okresu. Wartość średnia napięcia wyprostowanego w powyższym układzie wynosi:
a współczynnik tętnień t_k=0.040.

Nośniki miejszościowe

Nośniki większościowe

Obszar zubożony

Kierunek przewodzenia

Kierunek zaporowy

---