4. EFEKTY DYNAMICZNE PRZEŁĄCZANIA DIODY

- diody impulsowe

4.1. Przełączanie diody

Metodę obserwacji efektów dynamicznych podczas przełączania diody ilustruje poniższy schemat ideowy na rys.4.1. Jeżeli przełącznik przebywa w pozycji 1. w okresie czasu , to przez diodę płynie stały prąd przewodzenia

(4.1)

gdzie UF - spadek napięcia na diodzie podczas przepływu przez nią stałego prądu przewodzenia IF, proporcjonalnego do spadku napięcia na rezystorze pomiarowym Rp i obserwowanego na oscyloskopie. Od momentu przełączenia diody t=0, gdy przełącznik znajdzie się w pozycji 2., obserwowane na oscyloskopie zmiany prądu płynącego przez diodę będą wyglądać jak na rys.4.2a.

Przez okres czasu trr, nazywanym czasem przełączenia zaporowego (reverse recovery time), dioda przewodzi znaczny prąd w kierunku zaporowym, zamiast go blokować - jak to można by oczekiwać. W okresie czasu ts (storage time) ujemny prąd rewersyjny (IR<0 - przeciwnie płynący) jest stały

(4.2)

i dioda praktycznie działa jak obwód zwarty.

Ten duży prąd rewersyjny, płynący w krótkim okresie czasu od momentu przełącze-nia zewnętrznego napięcia polaryzującego diodę, jest spowodowany utworzeniem nadmia-rowego ładunku nośników mniejszościowych (głównie dziur w progowym złączu p+-n), a więc także i większościowych w obszarach neutralnych diody, w okresie przewodzenia diody w kierunku przewodzenia. Jak widać z zależności (4.2), prąd ten jest określony tylko parametrami układu zewnętrznego: U2, R2 i Rp, i dlatego pozostaje stały tak długo, dopóty istnieje ładunek nadmiarowy na krawędzi warstwy zaporowej przy napięciu UA - nieco mniejszym od UF. Dziury w zasadniczej swej ilości opuszczają ten ładunek przez złącze, a tylko w części rekombinują na miejscu z elektronami. Nadmiarowe elektrony w neutralnym n-obszarze odpływają przez kontakty omowe do obwodu zewnętrznego. W wyniku tych procesów następuje rozładowanie pojemności dyfuzyjnej.

Stały w okresie prąd rewersyjny IR jest więc określony stałym i dodatnim nachyleniem rozkładu ładunku nadmiarowego dziur pn(x,t)= pn(x) - pno w pobliżu krawędzi warstwy zaporowej przy x=0 (rys.4.3), i zgodnie z ogólną zależnością wynosi

dla x=0+ (4.3)

Od momentu gdy pn(x=0+)=0, prąd rewersyjny maleje coraz szybciej, bowiem wówczas zaczyna poszerzać się warstwa zaporowa złącza w głąb obszaru neutralnego typu n, jako słabiej zdomieszkowanego, wymiatając wszystkie nośniki ruchome z tego obszaru - aż osiągnie stałą szerokość, właściwą dla zewnętrznego napięcia zaporowego U2. Jest to czas ładowania pojemności złączowej Cj, która w momencie trr osiąga 90% swojej wartości końcowej. Przez złącze spolaryzowane stałym napięciem zaporowym płynie już tylko rewersyjny prąd nasycenia nośników mniejszościowych Is o bardzo małej wartości.

Analiza ilościowa zachowania się ładunku nadmiarowego (rys.4.3), oparta na równaniu kontrolnym ładunku oraz równaniu określającym ładowanie się pojemności złącza, pozwala wyznaczyć czas magazynowania ts jako funkcję obu prądów I_F i I_R w postaci

(4.4)

gdzie F - charakterystyczna stała czasowa diody, zależna od jej konstrukcji; dla diody z długą bazą, równa p - czasowi życia dziur jako nośników mniejszościowych - w n-obszarze.

Jeżeli pominiemy efekty związane z ładowaniem pojemności złączowej, to wystarczy przyjąć, że

(4.5)

Oczywiście, że IR<0 oraz IF>0.

Zatem w chwili t=ts zaczyna się ładowanie pojemności złączowej Cj. Czas, jaki jest potrzebny dla naładowania Cj do napięcia U2 może być obliczony bezpośrednio z zależności napięciowej tej pojemności. Jak wiadomo, jest to zależność nieliniowa. Dlatego prościej jest wyznaczyć średnią jej wartość Cj(0,U2) pomiędzy dwoma skrajnymi wartościami napięcia 0 i U2, określając stałą czasową RCj, gdzie R jest rezystancją przez którą płynie prąd ładowania tej pojemności. Dla złącza progowego w ten sposób mamy

(4.6)

gdzie ψ  bariera potencjału, która zwykle ψ U2. Zatem dla U2<0 zależność (4.6) można uprościć do postaci

(4.7)

Czas potrzebny do naładowania Cj do wartości napięcia 90%U2 poprzez rezystancję R, obliczony z zależności

(4.8)

wynosi więc

t90% = 2,3 RCj (4.9)

Umieszczany w katalogach czas trr jest zwykle mierzony przy zasilaniu diody napięciem o fali prostokątnej poprzez rezystor o dużej rezystancji, takiej że IF ≈IR Jeżeli zatem dodamy stałe źródło napięciowe do źródła z falą prostokątną, to trr może być zmierzone dla każdej wartości ilorazu IF /IR

4.2. Warunki obserwacji przełączenia

Efekty dynamiczne przełączania diod można praktycznie można zaobserwować przy pomocy poniższego układu pomiarowego ze stałym źródłem polaryzującym U1 i generatorem napięcia zaporowego U2 (rys. 4.4).

Obserwując na oscyloskopie napięcie na rezystorze Rp zauważymy typowy przebieg prądu przełączenia diody jak na rys.4.2a. Stały prąd przewodzenia diody w tym układzie jest równy

(4.10)

a prąd wsteczny wynosi

(4.11)

W warunkach laboratoryjnych skorzystamy ze specjalnego, kluczowanego źródła prądowego KZP, umieszczonego w module pomiarowym TM3, którym zasilamy badaną diodę (rys. 4.5).

Źródło KZP jest zasilane dwoma napięciami +15 i -15 V oraz zewnętrznie sterowane z generatora prostokątnym napięciem o amplitudzie Ug≥0,5V (napięcie międzyszczytowe większe od 1V), doprowadzonym do łącza NK. Na wyjściu źródła KZP uzyskujemy na przemian impulsy prądowe dodatnie +I i ujemne -I (wpływające do źródła) o amplitudach niezależnie regulowanych potencjometrami umieszczonymi w bocznej ściance modułu.

Na złączach ZP wewnątrz modułu podłączony jest rezystor wzorcowy 50, przez który płyną kluczowane na przemian i regulowane impulsy prądowe +I i -I. Podłączając zatem te złącza do oscyloskopu możemy wyregulować i zmierzyć amplitudy poszczególnych prądów. Źródło pozostaje prądowe, o ile nie jest obciążone rezystancją RL, nie większą niż wartość graniczna Rlim , wynosząca

(

Przy RL> Rlim staje się ono źródłem napięciowym, dającym na poszczególnych wyjściach +5 lub -5 V - odpowiednio do fazy Ug. Więcej informacji o parametrach diody uzyskamy z jej odpowiedzi napięciowej na prostokątny impuls prądowy (rys.4.6).

W tym przypadku brak jest prądu -IR usuwającego nadmiarowe nośniki mniejszo- ściowe z bazy, które znikają tylko w wyniku rekombinacji z elektronami, zgodnie z zależnością

(4.13)

W momencie włączenia impulsu napięcie na diodzie Umax jest określone impulsową rezystancją bazy, która po czasie t_ON spada w wyniku iniekcji dziur w jej obszar. W chwili wyłączenia prądu (t=0) napięcie na diodzie spada do charakterystycznej wartości U(0) i określa tzw. poiniekcyjną siłę elektromotoryczną złącza

(4.14)

a potem na skutek rekombinacji maleje stopniowo do zera zgodnie z zależnościami:

gdy u(t) ≥ UT (4.15)

oraz

gdy UT≥ u(t) (4.16)

4.3. Przebieg ćwiczenia

1). Do złącz NK modułu TM3 należy doprowadzić sygnał z generatora fali prostokątnej o

częstotliwości 50 kHz i amplitudzie 0,5 V i wyłączonej stałej składowej (DC offset).

2). Podłączyć napięcia zasilające +15 i -15 V z pary zasilaczy P316 do modułu TM3.

3). Przy pomocy oscyloskopu ustalić na złączach ZP równe amplitudy napięć +0,5 i -0 V,

które odpowiadają wartościom prądów +I = IF= 10 mA oraz -I = IR= 10 mA.

4). Zmontować układ według rys. 4.5, dołączając poprzez sondy pomiarowe oscyloskop

wysokiej klasy (TEKTRONIX). Diody prostownicze typu BYP400 łączymy szeregowo

z rezystorem pomiarowym Rp= 10  przy wysterowaniu ug=0,5V.

5). Obejrzeć i przerysować uzyskane przebiegi prądu i napięcia dla poszczególnych diod,

odnotowując charakterystyczne napięcia i prądy diody.

6). Na podstawie tych przebiegów wyznaczyć charakterystyczne czasy każdej diody F i tf

przy dwóch prądach IF=IR= 10 i 50 mA przy częstotliwościach 50 kHz i 10 kHz.

7). Wysterować diodę BYP401 dodatnim impulsem prądowym o częstotliwości 10 kHz,

a diodę impulsową BA157...159 - o częstotliwości 100 kHz. Wyznaczyć i obliczyć

rezystancję szeregową (bazy) i czasy życia nośników mniejszościowych w tych diodach

wg zależności (4.4) lub (4.5).

8). Skonfrontować uzyskane wyniki z danymi katalogowymi i zanalizować zachowanie się

poszczególnych typów diod podczas przełączania.

---