Dioda-wiad ogolne.doc

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 diody
Na 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 diody
Oprócz 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'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 (UF=0,3V) niż diody krzemowe.

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 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 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. 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/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 DU) wystarczy zajrzeć do działu Elementy RLC i przypomnieć sobie skąd się bierze wzór:

DU=(I/C)·Dt

Dla

Dt=T=1/f - prostowanie jednopołówkowe

Dt=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 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

...