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Caratteristiche di diodi, design e caratteristiche dell'applicazione
Caratteristiche di diodi, design e caratteristiche dell'applicazione
Nell'articolo precedente, abbiamo iniziato a esplorare diodo a semiconduttore. In questo articolo considereremo le proprietà dei diodi, i loro vantaggi e svantaggi, i vari design e le caratteristiche dell'applicazione nei circuiti elettronici.
Caratteristica corrente-tensione del diodo
La caratteristica corrente-tensione (CVC) di un diodo a semiconduttore è mostrata in Figura 1.
Qui, in una figura, sono mostrate le caratteristiche I - V dei diodi germanio (blu) e silicio (nero). È facile notare che le caratteristiche sono molto simili. Non ci sono numeri sugli assi delle coordinate, poiché per diversi tipi di diodi possono differire in modo significativo: un potente diodo può passare una corrente continua di diverse decine di ampere, mentre uno a bassa potenza può trasmettere solo diverse decine o centinaia di milliampere.
Esistono molti diodi di diversi modelli e tutti possono avere scopi diversi, sebbene il loro compito principale, la proprietà principale sia conduzione corrente unidirezionale. È questa proprietà che consente l'uso di diodi in raddrizzatori e dispositivi rivelatori. Tuttavia, va notato che al momento i diodi al germanio e i transistor non sono più in uso.
Figura 1. Caratteristica corrente-tensione del diodo
Il ramo diretto del CVC
Un ramo diretto della caratteristica si trova nel primo quadrante del sistema di coordinate, quando il diodo è in connessione diretta, l'uscita positiva della sorgente corrente, o l'uscita negativa al catodo, è collegata all'anodo.
All'aumentare della tensione diretta Upr, anche la corrente diretta Ipr inizia ad aumentare. Ma mentre questo aumento è insignificante, la linea del grafico ha un leggero aumento, la tensione cresce molto più velocemente della corrente. In altre parole, nonostante il diodo sia acceso in avanti, la corrente non scorre attraverso di esso, il diodo è praticamente bloccato.
Quando viene raggiunto un certo livello di tensione, appare un nodo sulla caratteristica: la tensione praticamente non cambia e la corrente sta rapidamente crescendo. Questa tensione è chiamata caduta di tensione diretta attraverso il diodo, sulla caratteristica è designato come Uд. Per la maggior parte dei diodi moderni, questa tensione è nell'intervallo 0,5 ... 1 V.
La figura mostra che la tensione diretta per un diodo al germanio è leggermente inferiore (0,3 ... 0,4 V) rispetto a un silicio (0,7 ... 1,1 V). Se la corrente continua attraverso il diodo viene moltiplicata per la tensione diretta, il risultato non sarà altro che la potenza dissipata dal diodo Pd = Ud * I.
Se questo potere viene superato in modo relativamente accettabile, possono verificarsi surriscaldamento e distruzione della giunzione p-n. Ecco perché il riferimento è limitato a massima corrente direttae non potenza (si ritiene che sia nota la tensione diretta). Per rimuovere il calore in eccesso, sono installati potenti diodi sui dissipatori di calore - radiatori.
Potenza dissipata dal diodo
Quanto sopra è spiegato nella Figura 2, che mostra l'inclusione di un carico, in questo caso una lampadina, attraverso un diodo.
Figura 2. Accensione del carico attraverso il diodo
Immagina che la tensione nominale di una batteria e una lampadina sia di 4,5 V. Con questa inclusione, 1 V cade sul diodo, quindi solo 3,5 V raggiungeranno la lampadina. Naturalmente, praticamente nessuno raccoglierà un tale circuito, questo è solo per illustrare come e cosa influenza la tensione diretta sul diodo.
Supponiamo che la lampadina abbia limitato la corrente nel circuito esattamente a 1A. Questo è per facilità di calcolo. Inoltre, non prenderemo in considerazione il fatto che il bulbo è un elemento non lineare e non obbedisce alla legge di Ohm (la resistenza della spirale dipende dalla temperatura).
È facile calcolare che a tali tensioni e correnti il diodo dissipa la potenza P = Ud * I o 1V * 1A = 1W.Allo stesso tempo, la potenza del carico è solo 3,5 V * 1 A = 3,5 W. Si scopre che oltre il 28 percento dell'energia viene consumata inutilmente, oltre un quarto.
Se la corrente continua attraverso il diodo è 10 ... 20A, fino a 20 W di potenza saranno inutili! Ha un tale potere piccolo saldatore. Nel caso descritto, il diodo sarà un tale saldatore.
Diodi Schottky
È abbastanza ovvio che si possono eliminare tali perdite se si riduce la caduta di tensione diretta attraverso il diodo Ud. Questi diodi sono chiamati diodi schottky prende il nome dall'inventore del fisico tedesco Walter Schottky. Invece della giunzione p-n, usano la giunzione metallo-semiconduttore. Questi diodi hanno una caduta di tensione diretta di 0,2 ... 0,4 V, che riduce significativamente la potenza rilasciata dal diodo.
Forse l'unico inconveniente dei diodi Schottky è la bassa tensione inversa - solo poche decine di volt. Il valore massimo della tensione inversa di 250 V ha un design industriale MBR40250 e suoi analoghi. Quasi tutti gli alimentatori delle moderne apparecchiature elettroniche dispongono di raddrizzatori su diodi Schottky.
Il ramo inverso del CVC
Uno degli svantaggi dovrebbe essere considerato che anche quando il diodo è acceso nella direzione opposta, la corrente inversa scorre comunque attraverso di essa, perché non ci sono isolanti ideali in natura. A seconda del modello del diodo, può variare da nanoampere a unità di microampere.
Insieme alla corrente inversa, una certa quantità di energia viene assegnata al diodo, numericamente uguale al prodotto della corrente inversa e alla tensione inversa. Se questa potenza viene superata, è possibile una rottura della giunzione p-n, il diodo si trasforma in un resistore convenzionale o addirittura in un conduttore. Sul ramo inverso della caratteristica I - V, questo punto corrisponde alla curva della caratteristica verso il basso.
In genere, le directory non indicano la potenza, ma una certa tensione inversa massima consentita. Quasi uguale alla limitazione della corrente diretta, che è stata menzionata sopra.
In realtà spesso sono questi due parametri, vale a dire la corrente continua e la tensione inversa, che sono i fattori determinanti nella scelta di un particolare diodo. Questo è il caso in cui il diodo è progettato per funzionare a bassa frequenza, ad esempio un raddrizzatore di tensione con una frequenza di una rete industriale di 50 ... 60 Hz.
Capacità elettrica giunzione pn
Quando si utilizzano diodi in circuiti ad alta frequenza, è necessario ricordare che la giunzione pn, come un condensatore, ha una capacità elettrica, che dipende anche dalla tensione applicata alla giunzione pn. Questa proprietà della giunzione p-n viene utilizzata in diodi speciali - varicaps utilizzati per regolare i circuiti oscillatori nei ricevitori. Questo è probabilmente l'unico caso in cui questa capacità viene utilizzata per sempre.
In altri casi, questa capacità ha un effetto interferente, rallenta la commutazione del diodo e ne riduce la velocità. Questa capacità è spesso chiamata parassita. È mostrato in Figura 3.
Figura 3. Capacità spuria
Il design dei diodi.
Diodi piatti e punti
Per sbarazzarsi degli effetti dannosi della capacità parassita, vengono utilizzati speciali diodi ad alta frequenza, ad esempio quelli a punta. Il design di un tale diodo è mostrato nella Figura 25.
Figura 4. Diodo puntuale
Una caratteristica di un diodo a punta è il design dei suoi elettrodi, uno dei quali è un ago di metallo. Durante il processo di fabbricazione, questo ago contenente un'impurità (donatore o accettore) viene fuso in un cristallo a semiconduttore, risultando in una giunzione pn della conduttività richiesta. Tale transizione ha una piccola area e, quindi, una piccola capacità parassita. Per questo motivo, la frequenza di lavoro dei diodi a punti raggiunge diverse centinaia di megahertz.
Se si utilizza un ago più affilato, ottenuto senza elettro-stampaggio, la frequenza operativa può raggiungere diverse decine di gigahertz. È vero, la tensione inversa di tali diodi non è superiore a 3 ... 5 V e la corrente diretta è limitata a pochi milliampere.Ma dopotutto, questi diodi non sono raddrizzatori, per questi scopi, di norma, vengono utilizzati diodi planari. Il dispositivo di un diodo planare è mostrato in figura.
Figura 5. Diodo planare
È facile vedere che un tale diodo ha un'area di giunzione pn che è molto più grande di una punto uno. Per diodi potenti, quest'area può raggiungere fino a 100 o più millimetri quadrati, quindi la loro corrente continua è molto maggiore di quella di quelli a punta. Si tratta di diodi planari che vengono utilizzati nei raddrizzatori che funzionano a basse frequenze, di regola, non più di diverse decine di kilohertz.
Applicazione di diodi
Non si deve pensare che i diodi vengano utilizzati solo come dispositivi raddrizzatori e rivelatori. Inoltre, ci sono molte altre professioni. La caratteristica I - V dei diodi consente di utilizzarli laddove è richiesta un'elaborazione non lineare segnali analogici.
Si tratta di convertitori di frequenza, amplificatori logaritmici, rivelatori e altri dispositivi. I diodi in tali dispositivi vengono utilizzati direttamente come convertitore o formano le caratteristiche del dispositivo, essendo inclusi nel circuito di retroazione.
I diodi sono ampiamente utilizzati in alimentatori stabilizzaticome fonti di tensione di riferimento (diodi zener) o come elementi di commutazione della memoria induttore (regolatori di tensione di commutazione).
Usando i diodi, è molto semplice creare limitatori di segnale: due diodi collegati nella direzione opposta servono come eccellente protezione per l'ingresso di un amplificatore, ad esempio un microfono, dal fornire un livello di segnale aumentato.
Oltre ai dispositivi elencati, i diodi sono molto spesso utilizzati negli interruttori di segnale, nonché nei dispositivi logici. È sufficiente ricordare le operazioni logiche AND, OR e le loro combinazioni.
Una delle varietà di diodi sono LED. Una volta venivano usati solo come indicatori in vari dispositivi. Ora sono ovunque e ovunque dalle torce più semplici ai televisori con LED - retroilluminazione, è semplicemente impossibile non notarli.
Boris Aladyshkin
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