Elektronika analogowa - teoria - diody.pdf - Elektronika - rydaga

forum

szukaj

książki

linki

artykuły

teoria

dla początkujących

schematy

elektronika retro

mikrokontrolery

Teoria

Diody

Charakterystyka diody - Przełączanie diody - Dioda Schottky'ego - Dioda Zenera - Dioda jako prostownik - Prostownik w

zasilaczu - Dioda jako klucz - Ogranicznik diodowy

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 U AK >0 to będzie ona

spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody. W przypadku gdy napięcie U AK <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).

rys. 3.1

Charakterystyka diody

Na rys. 3.2 przedstawiona jest charakterystyka diody I D =I D (U AK ). Jak widać

na rysunku już przy bardzo małych napięciach U AK (jest to napięcie na

diodzie) prąd płynący przez diodę I D (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 I Fmax . Napięcie przewodzenia diody U F określa się przy

prądzie przewodzenia I F =0,1·I Fmax . 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. 3.2

gdzie:

- I S jest teoretycznym prądem wstecznym,

- m jest współczynnikiem korekcyjnym i wynosi od 1 do 2,

- U T =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 I S =10 pA, mU T =30 mV, I Fmax =100 mA

- dioda germanowa I S =100 nA, mU T =30 mV, I Fmax =100 mA.

Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia U F dla

prądu przewodzenia I F =0,1·I Fmax . Dla diody germanowej napięcie

przewodzenia jest równe 0,35V, a dla diody krzemowej 0,62V.

Przełączanie diody

Oprócz napięcia przewodzenia, napięcia wstecznego czy też prądu

przewodzenia, bardzo ważnym parametrem diody jest jej czas

magazynowania ładunku t m . Proces wyłączania diody pokazany jest na

przebiegach czasowych na rys. 3.4. Dioda D włączona w układ z źródłem

napięcia U g nie wyłącza się od razu po zmianie napięcia U g 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.

rys. 3.4

Dioda Schottky'ego

W 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 (U F =0,3V) niż diody krzemowe.

rys. 3.5

rys. 3.6

Dioda Zenera

Dioda 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 U Z .

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 D I D

towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia D U AK i przyjmuje się, że

napięcie na diodzie nie zmienia się i jest równe napięciu Zenera U Z .

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. 3.7

rys. 3.8

rys. 3.9

Dioda jako prostownik

Jednym 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. U g jest

źródłem napięcia przemiennego, a R L jest rezystancją reprezentującą

obciążenie prostownika. W tym przypadku (rys. 3.10) źródłem napięcia

wejściowego U g 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 U L 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 U g >0.6V).

Można więc powiedzieć, że jest to prostownik jednopołówkowy. Napięcie U L

występuje więc jedynie przez połowę okresu napięcia wejściowego U g .

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 U g i wyjściowego U L

przedstawione są na rys. 3.12.

Dla dodatniej połówki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki

czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia R L , dalej poprzez diodę D3

do źródła U g . Następnie dla połówki ujemnej prąd (strzałki niebieskie)

popłynie poprzez diodę D2 do obciążenia R L jak widać zachowując ten sam

kierunek przepływu prądu przez obciążenie jak dla połówki dodatniej, a

następnie poprzez diodę D4 z powrotem do źródła U g . 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 U g musi być większe

od podwojonego napięcia przewodzenia diody (U g >2·0.6V). Warto o tym

pamiętać szczególnie przy projektowaniu zasilaczy.

rys. 3.10

rys. 3.11

rys. 3.12

rys. 3.13

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 R L . 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 R L ·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 U t równe jest D U. Aby zapewnić małą

amplitudę tętnień to wartość kondensatora C dobiera się tak aby był

spełniony warunek

rys. 3.14

R L ·C>>1/f

gdzie 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 D U) wystarczy zajrzeć do działu Elementy RLC i przypomnieć

sobie skąd się bierze wzór:

D U=(I/C)· D t

Dla

D t=T=1/f - prostowanie jednopołówkowe

D t=½T=1/2f - prostowanie dwupołówkowe

gdzie 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 I L

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. 3.15

Dioda jako klucz

Podstawową 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 U F 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 I F , którego

wartość można wyliczyć ze wzoru:

a napięcie wyjściowe wynosi wówczas:

Z tego wzoru widać, że aby wpływ na napięcie wyjściowe U wy spadku

napięcia U F na przewodzącej diodzie i na rezystancji wewnętrznej źródła Rg

był znikomy to napięcie pobudzające U g musi być znacznie większe od U F , 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 diodowy

Układ 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:

U wy = 4V + 0,6V = 4,6V

rys. 3.17

Tak 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. Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich

rezystancja zastępcza czyli rezystancja połączonych równolegle R2 i R3 (przy

obliczaniu rezystancji zastępczej źródło napięcia +12V należy potraktować

jak zwarcie do masy) była mała w porównaniu z rezystorem R1, gdyż to

pozwoli na zmniejszenie niestałości źródła napięcia odniesienia opartego na

dzielniku napięcia (R2 i R3).

Aby sprawdzić czy potrafisz zaprojektować i obliczyć ogranicznik diodowy

spróbuj rozwiązać zadanie 3.3 .

Literatura: "Sztuka elektroniki" - P.Horowitz i W.Hill

"Układy półprzewodnikowe" - U.Tietze i Ch.Schenk

"Podstawowe układy elektroniczne" - W.Nowakowski

UWAGA: Wszystkie umieszczone schematy, informacje i przykłady mają służyć tylko do własnych celów edukacyjnych i nie należy ich

wykorzystywać do żadnych konkretnych zastosowań bez przeprowadzenia własnych prób i doświadczeń, gdyż nie udzielam żadnych gwarancji, że

podane informacje są całkowicie wolne od błędów i nie biorę odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikające z zastosowania podanych

informacji, schematów i przykładów.

Wszystkie nazwy handlowe, nazwy produktów oraz znaki towarowe umieszczone na tej stronie są zastrzeżone dla ich właścicieli.

Używanie ich tutaj nie powinno być uważane za naruszenie praw właściciela, jest tylko potwierdzeniem ich dobrej jakości.

All trademarks mentioned herein belong to their respective owners.

They aren't intended to infringe on ownership but only to confirm a good quality.

Strona wygląda równie dobrze w rozdzielczości 1024x768, jak i 800x600.

Optymalizowana była pod IE dlatego polecam przeglądanie jej w IE5.5 lub nowszych przy rozdzielczości 1024x768.

Elektronika analogowa - teoria - diody.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: