קטגוריות: מאמרים מוצגים » חשמלאים מתחילים
מספר צפיות: 175831
הערות לכתבה: 8
מאפייני דיודות, עיצובים ותכונות יישום
מאפייני דיודות, עיצובים ותכונות יישום
במאמר הקודם התחלנו לחקור דיודה מוליכים למחצה. במאמר זה נשקול את תכונות הדיודות, את היתרונות והחסרונות שלהן, עיצובים ותכונות שונות של יישומים במעגלים אלקטרוניים.
מאפייני מתח זרם של הדיודה
מאפיין מתח הנוכחי (CVC) של דיודה מוליכים למחצה מוצג באיור 1.
כאן באיור אחד מוצגים מאפייני ה- I-V של דיודות גרמניום (כחול) וסיליקון (שחור). קל לשים לב שהמאפיינים דומים מאוד. על צירי הקואורדינטות אין מספרים, מכיוון שלסוגים שונים של דיודות הם יכולים להיות שונים באופן משמעותי: דיודה עוצמתית יכולה להעביר זרם ישר של כמה עשרות אמפר, ואילו כוח בעל עוצמה נמוכה יכול להעביר רק כמה עשרות או מאות מילי-אמפר.
ישנן דיודות רבות ומגוונות של דגמים שונים, ולכולן יכולות להיות מטרות שונות, אם כי המשימה העיקרית שלהם, הנכס העיקרי הוא הולכה זרם חד כיוונית. זה המאפיין הזה שמאפשר שימוש בדיודות במיישרים ובמכשירי גלאי. עם זאת, יש לציין כי נכון לעכשיו דיודות גרמניום, כמו גם טרנזיסטורים, אינן בשימוש עוד.
איור 1. מאפיין מתח זרם של הדיודה
הסניף הישיר של ה- CVC
ברבע הראשון של מערכת הקואורדינטות, יש ענף ישר של המאפיין כאשר הדיודה נמצאת בחיבור ישיר - המסוף החיובי של המקור הנוכחי, בהתאמה, המסוף השלילי לקתודה, מחובר לאנודה.
ככל שמתח קדימה עולה, מתח הזרם קדימה גם מתחיל לעלות. אך בעוד שגידול זה אינו משמעותי, קו העלייה בעלייה קלה, המתח עולה הרבה יותר מהר מהזרם. במילים אחרות, למרות העובדה שהדיודה מופעלת בכיוון קדימה, הזרם לא זורם דרכה, הדיודה ננעלת למעשה.
כשמגיעים לרמת מתח מסוימת מופיע שקע על המאפיין: המתח למעשה לא משתנה, והזרם צומח במהירות. מתח זה נקרא ירידת מתח ישירה על פני הדיודה, על המאפיין מוגדר כ- UD. עבור מרבית הדיודות המודרניות מתח זה נמצא בטווח של 0.5 ... 1V.
באיור עולה כי המתח הישיר לדיודה גרמניום הוא מעט פחות (0.3 ... 0.4 וולט) מאשר לסיליקון (0.7 ... 1.1 וולט). אם הזרם הישיר דרך הדיודה מוכפל במתח הקדימה, התוצאה תהיה לא יותר מאשר הכוח שמתפזר על ידי הדיודה Pd = Ud * I.
אם חריגה מכוח זה מקובל יחסית, אז יכול להתחמם יתר על המידה ולהרס את צומת ה- p-n. זו הסיבה שההתייחסות מוגבלת ל זרם קדימה מקסימליולא כוח (מאמינים שהמתח קדימה ידוע). להסרת עודפי חום, דיודות עוצמתיות מותקנות על כיורי חום - רדיאטורים.
הכוח מתפזר על ידי דיודה
האמור לעיל מוסבר באיור 2, המראה הכללת עומס, במקרה זה נורה, דרך דיודה.
איור 2. הדלקת העומס דרך הדיודה
דמיין שהמתח המדורג של סוללה ונורה הוא 4.5 וולט. עם הכללה זו, 1 וואט ייפול על הדיודה, ואז רק 3.5 וולט יגיעו לנורה. כמובן שאיש לא יאסוף מעגל כזה בפועל, זה רק כדי להמחיש כיצד ומה משפיע על המתח הישיר על הדיודה.
נניח שהנורה הגבילה את הזרם במעגל ל 1A בדיוק. זאת לצורך קלות החישוב. כמו כן, לא ניקח בחשבון את העובדה שהנורה היא אלמנט שאינו ליניארי, ואינה מצייתת לחוקיו של אוהם (ההתנגדות של הספירלה תלויה בטמפרטורה).
קל לחשב שבמתחים וזרמים כאלה הדיודה מפזרת את הכוח P = Ud * I או 1V * 1A = 1W.יחד עם זאת, כוח העומס הוא 3.5V * 1A בלבד = 3.5W. מסתבר שיותר מ 28 אחוז מהאנרגיה נצרכים ללא תועלת, יותר מרבע.
אם הזרם הישיר דרך הדיודה הוא 10 ... 20A, אז עד 20 וולט כוח יהיה חסר תועלת! יש לזה כוח כזה ברזל קטן. במקרה המתואר, הדיודה תהיה ברזל הלחמה כזה.
דיודות שוטקי
די ברור שאפשר להיפטר מהפסדים כאלה אם ירידת המתח הישירה על פני הדיודה אוד מצטמצמת. דיודות אלה נקראות דיודות שוטוטי נקרא על שם ממציא הפיזיקאי הגרמני וולטר שוטקי. במקום צומת p-n, הם משתמשים בצומת מתכת-מוליכים למחצה. לדיודות אלה יש ירידת מתח ישירה של 0.2 ... 0.4V, מה שמפחית משמעותית את הכוח שמשתחרר על ידי הדיודה.
אולי החיסרון היחיד של דיודות שוטקי הוא מתח ההפוך הנמוך - רק כמה עשרות וולט. הערך המקסימאלי של המתח ההפוך של 250 וולט הוא העיצוב התעשייתי MBR40250 והאנלוגים שלו. כמעט לכל ספקי הכוח של ציוד אלקטרוני מודרני יש מיישרים על דיודות שוטקי.
הסניף ההפוך של ה- CVC
יש לקחת בחשבון את אחד החסרונות כי גם כאשר הדיודה מופעלת בכיוון ההפוך, הזרם ההפוך זורם דרכה בכל מקרה, מכיוון שאין מבודדים אידיאליים בטבע. תלוי בדגם של הדיודה, הוא יכול להשתנות מננו-יאמפ ליחידות של מיקרו -amp.
יחד עם הזרם ההפוך מוקצה דיודה כמות מסוימת של כוח, שווה מספרית לתוצר של הזרם ההפוך ומתח ההפוך. אם חורג מהכוח זה, אז אפשרי פירוט של צומת p-n, הדיודה הופכת לנגדיר קונבנציונאלי או אפילו למוליך. על הענף ההפוך של מאפיין I - V, נקודה זו תואמת את עיקול המאפיין כלפי מטה.
בדרך כלל, ספריות אינן מצביעות על כוח, אלא על מתח אחורי מקסימלי מותר. בערך כמו הגבלת הזרם הישיר, שהוזכר ממש למעלה.
למעשה לעיתים קרובות שני הפרמטרים הללו, כלומר המתח הנוכחי והמתח ההפוך, הם הגורמים הקובעים בבחירת דיודה מסוימת. זה המקרה כאשר הדיודה מיועדת לפעול בתדר נמוך, למשל, מיישר מתח עם תדר של רשת תעשייתית של 50 ... 60 הרץ.
קיבול חשמל צומת pn
בעת שימוש בדיודות במעגלים בתדר גבוה, יש לזכור כי צומת ה- pn, כמו קבל, יש קיבול חשמלי, שתלוי גם במתח המופעל לצומת ה- pn. תכונה זו של צומת p-n משמשת בדיודות מיוחדות - דליות המשמשות לכוונון מעגלי התנודה במקלטים. זה כנראה המקרה היחיד בו משתמשים בקיבולת זו לתמיד.
במקרים אחרים, קיבול זה משפיע על הפרעה, מאט את מיתוג הדיודה ומפחית את מהירותו. יכולת זו נקראת לרוב טפילית. זה מוצג באיור 3.
איור 3. קיבול מפואר
עיצוב הדיודות.
דיודות שטוחות ונקודות
כדי להיפטר מההשפעות המזיקות של קיבול תועה, משתמשים בדיודות מיוחדות בתדר גבוה, למשל אלו הנקודות. העיצוב של דיודה כזו מוצג באיור 25.
איור 4. דיודה נקודה
תכונה של דיודה נקודתית היא עיצוב האלקטרודות שלה, שאחת מהן היא מחט מתכת. במהלך תהליך הייצור, מחט זו המכילה טומאה (תורם או מקבל) נמסת לגביש מוליך למחצה, והתוצאה היא צומת pn של המוליכות הנדרשת. למעבר כזה יש שטח קטן, ולכן קיבול תועה קטן. בשל כך, תדירות העבודה של דיודות נקודות מגיעה לכמה מאות מגה-הרץ.
במקרה בו משתמשים במחט חדה יותר, המתקבלת ללא אלקטרפורפורמציה, תדירות ההפעלה יכולה להגיע לכמה עשרות גיגה הרץ. נכון, מתח ההפוך של דיודות כאלה אינו עולה על 3 ... 5V, והזרם קדימה מוגבל לכמה מילי-אמפר.אך אחרי הכל דיודות אלו אינן מיישר, למטרות אלה, ככלל, משתמשים בדיודות מישוריות. המכשיר של דיודה מישורית מוצג באיור.
איור 5. דיודה מישורית
קל לראות שלדיודה כזו יש אזור צומת pn שהוא גדול בהרבה מנקודה אחת. עבור דיודות עוצמתיות, אזור זה יכול להגיע עד 100 מילימטרים רבועים או יותר, כך שהזרם הישיר שלהם גדול בהרבה מזה של הנקודות. מדובר בדיודות מישוריות המשמשות במיישרים הפועלים בתדרים נמוכים, ככלל, לא יותר מכמה עשרות קילוגרץ.
יישום דיודות
אל תחשוב שדיודות משמשות רק כמכשירי מיישר וגלאי. בנוסף, ישנם הרבה יותר מהמקצועות שלהם. I-V המאפיין דיודות מאפשר להשתמש בהן במקום בו נדרש עיבוד לא לינארי אותות אנלוגיים.
אלה ממירי תדרים, מגברים לוגריתמיים, גלאים ומכשירים אחרים. דיודות במכשירים כאלה משמשות ישירות כממיר, או מהוות את המאפיינים של המכשיר, כלולות במעגל המשוב.
דיודות נמצאות בשימוש נרחב ב- ספקי כוח מיוצביםכמקורות מתח ייחוס (דיודות זנר), או כאלמנטים מיתוגיים של האחסון משרן (מווסת מתח מתח).
בעזרת דיודות קל מאוד ליצור מגבילי אות: שתי דיודות המחוברות בכיוון ההפוך משמשות הגנה מצוינת לכניסת מגבר, למשל מיקרופון, מספקת רמת האות מוגברת.
בנוסף למכשירים הרשומים, דיודות משמשות לעתים קרובות מאוד במתגי איתות, כמו גם במכשירים לוגיים. מספיק לזכור את הפעולות הלוגיות AND, OR ואת הצירופים שלהם.
אחד הזנים של הדיודות הם נוריות לד. פעם הם שימשו רק אינדיקטורים במכשירים שונים. עכשיו הם נמצאים בכל מקום ובכל מקום, מהפנסים הפשוטים ביותר לטלוויזיות עם LED - תאורה אחורית, פשוט אי אפשר שלא לשים לב אליהם.
בוריס אלאדישקין
ראה גם באתר elektrohomepro.com
: