Elektrotechnika elektronika miernictwoFranciszek Gołek (golek@ifd.uni.wroc.pl)

www.pe.ifd.uni.wroc.pl

Wykład 8.DiodyOscylator

z diodą Gunna

W tym wykładzie opiszemy diody, czyli coś co może powstać na styku półprzewodnika z metalem lub półprzewodnika z innym półprzewodnikiem. To coś, dzięki postępom nauki i techniki, jest bardzo użyteczne i powszechnie wykorzystywane w elektronice.Złącza (styki) metal-półprzewodnik i półprzewodnik-półprzewodnik mogą być albo omowe (liniowe) albo prostujące (nieliniowe).Jedne i drugie są ważne dla elektroniki, ale w diodach istotne są te prostujące.

Mamy rozmaite diody i ich rozmaite zastosowania:1) Prostowanie napięć zmiennych (zasilacze falowniki itp..),2) Generowanie światła (LEDy i diody laserowe),3) Baterie słoneczne (separacja elektronów i dziur na złączu pn),4) Termometry (zależność charakterystyki I-V od temperatury),5) Powielanie częstotliwości (nieliniowa charakterystyka I-V),6) Detektory7) Oscylatory8) Mieszacze (miksery częstotliwości)9) Powielacze napięcia,10) Wzmacniacze mikrofalowe,11) Przesuwniki fazy,12) Ograniczniki amplitudy,13) Układy clamp i wiele innych.

Diody IMPATT (IMPact ionization Avalanche Transit-Time)

W rezonatorach wnękowych jako oscylatory.

Mieszacze diodowe

Cavity-stabilized IMPATT Diode Oscillator

Przesuwnik fazy

Skrzyżowanie lamyz półprzewodnikami

PoczątkiW 1799 roku A.G.A. Volta buduje ogniwo elektryczne (baterię) co pozwoliło na rozszerzenie eksperymentów z prądami elektrycznymi.

W latach 1825 - 1826 niemiecki fizyk, profesor politechniki w Norymberdze i uniwersytetu w Monachium G.S. Ohm odkrywa proporcjonalność między napięciem i natężeniem prądu – dla wielu materiałów.

W 1874 r. F. Braun odkrywa, że kryształy w pewnych warunkach przewodzą prąd tylko w jedną stronę (nie działa prawo Ohma).

Cohererjeszcze nie dioda

W latach 1881 - 1882 T. A. Edison i jego asystent W. J. Hammer pracują nad ulepszaniem opatentowanych w 1879 r. próżniowych żarówek.

Podwójna dioda AZ-4Polskiej firmy DOLAM

Symbol

W wykładzie pominiemy zgłębianie ilościowe fizyki zjawisk w elementach elektronicznych. Takie podejście jest dla elektroników nieefektywne. Elektronicy ograniczają się do poznania zjawisk fizycznych w złożonych elementach elektronicznych w zakresie jakościowym i koncentrują się raczej na analizie charakterystyk prądowo napięciowych (i-v) i czasowych (szybkość przełączenia, czas propagacji sygnału) oraz prostych modelach obwodów z tymi elementami.Odnotujmy jednak, że elektrony w atomach i substancjach znajdują się na różnych głębokościach energetycznych.

Początkowo podstawowym materiałem w technologii półprzewodnikowej był german między innymi ze względu na niską temperaturę topnienia 990°C. Szybko jednak okazało się, że na podłożu krzemowym (temperatura topnienia krzemu: 1410°C) można łatwo uformować stabilny tlenek (SiO2) a na germanie nie. Ponadto napięcie przebicia dla tlenku krzemy jest wyższe niż dla tlenku germanu. Poczynając od lat 1960-tych krzem dominuje w technologii elementów elektronicznych.Warto porównać przewodności metalu np. miedzi: 0.59 ⋅ 106 S/cm; izolatora np. szkła: 10-16 - 10-13 S/cm oraz półprzewodnika np. krzemu: 10-6 do 102 S/cm.

W metalu obecność dużej ilości elektronów w paśmie przewodnictwa (czyli w energetycznym paśmie elektronów prawie swobodnych) powoduje, że mogą one stanowić znaczny prąd pod wpływem znikomego pola elektrycznego. Te elektrony będąc swobodnymi mogą być przyspieszane polem elektrycznym i rozpraszane na atomach.W półprzewodnikach mamy wiązania kowalencyjne, które ograniczają przemieszczanie się elektronów, dopiero energia rzędu 1 eV w postaci kwantu światła lub termicznych wibracji atomów może oswobodzić elektron (przenieść go z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa). Atomy krzemu i germanu tworzą (poprzez hybrydyzację SP3) sieci krystaliczne typu diamentu. W temperaturze pokojowej w czystym, nie domieszkowanym krzemie znajduje się niewiele elektronów swobodnych bo zaledwie1.5 × 1016 na m3 objętości i tyle samo dziur. Prąd elektryczny w półprzewodnikach mogą stanowić nie tylko elektrony ale również „dziury” po elektronach bo mają ładunek i są mobilne.

Dzieje się tak dlatego, że pole elektryczne wpływa na to,który elektron z otoczenia dziury ma największą szansę doniej przeskoczyć. Przeskok elektronu walencyjnego do dziuryoznacza przemieszczenie się dziury a zatem i przemieszczenieładunku związanego z brakiem elektronu (brakiem neutralizacji).Ponieważ ilość elektronów i dziur zależy od temperatury toteż wiele własności półprzewodników zależy od temperatury. W praktyce stosowane są półprzewodniki domieszkowane w taki sposób aby mieć albo nadmiar dziur (są to półprzewodniki typu p) albo nadmiar elektronów (półprzewodniki typu n). Domieszki dające typ n półprzewodnika nazywane są donorami (pierwiastki 5-wartościowe, As – arsen, Sb – antymon lub P - fosfor) gdyż oddają elektrony do pasma przewodnictwa a same stają się jonami (+). Natomiast domieszki dające typ p nazywane są akceptorami (pierwiastki 3-wartościowe, B – bor, Ga – gal lub Al – aluminium) bo „pobierają” elektrony z pasma walencyjnego generując dziury i same stają się jonami (-). Jednorodne domieszkowanie kawałka krzemu (lub innego półprzewodnika) nie zmienia jego neutralności elektrycznej. Choć oddzielny kawałek półprzewodnika ma mało interesujące własności i zastosowania, to już odpowiednio dobrze połączone dwie warstwy półprzewodnika jedna typu p a druga typu n dają coś, co jest szeroko stosowane w układach elektronicznych – „złącze p-n”. Najprostszym i szeroko stosowanym elementem zawierającym takie złącze jest dioda prostownicza.

Złącza p-n. Jest to prawie bezdefektowe połączenie dwóch półprzewodników z domieszkami (czyli półprzewodników niesamoistnych) o dwu różnych typach przewodnictwa elektrycznego p i n. Półprzewodnik nie domieszkowany (samoistny) kiepsko przewodzi prąd elektryczny w temperaturze pokojowej. Przypomnijmy, że energia średnia „drgań” termicznych w temperaturze 300 K wynosi zaledwie E300K = stała Boltzmana ×T = kB×300 K ≈ 0,026 eV i jest zbyt mała aby oswobadzać liczącą się ilość elektronów w jednostce czasu.Wiemy już, że domieszkowanie półprzewodnika poprawia jego przewodnictwo elektryczne. Przykładowo domieszkując 4-wartościowy krzem atomem 5-wrtościowym (donorem) tworzymy sytuację, w której cztery elektrony domieszki biorą udział w wiązaniach kowalencyjnych a piąty jako słabo związany (około 0,1eV) jest przez drgania termiczne oswobodzony („wrzucony” do pasma przewodnictwa). Półprzewodnik, który zawiera znaczną ilość donorów nazywa się półprzewodnikiem typu n, jego poziom Fermiego umiejscowiony jest blisko pasma przewodnictwa. Poziom Fermiego to taki poziom energetyczny, dla którego prawdopodobieństwo obsadzenia przez elektron wynosi ½.Podobną poprawę przewodnictwa uzyskamy domieszkując krzem atomami trójwartościowymi (akceptorami). Przy każdym donorze powstanie wtedy jedno wolne miejsce w wiązaniach kowalencyjnych – dziura, która jako puste miejsce po elektronie w paśmie walencyjnym może się przemieszczać. Półprzewodnik, który zawiera znaczną ilość akceptorów nazywa się półprzewodnikiem typu p, jego poziom Fermiego umiejscowiony jest blisko pasma walencyjnego. Zauważmy, że donor jest niemobilny a po utracie piątego elektronu jest niemobilnym jonem dodatnim. Podobnie akceptor po przyłączeniu czwartego elektronu i „wypuszczeniu” dziury jest niemobilnym jonem ujemnym.Wynalazcą fotodetektora i pierwszego użytecznego złącza p-n w 1940r. był Russel Shoemaker Ohl.

Złącza p-n Podobnie jak w połączonych naczyniach z wodą wyrównuje się poziom lustra wody tak w połączonych galwanicznie materiałach zawierających mobilne nośniki ładunku (elektrony i dziury) następuje wyrównanie poziomu Fermiego EF. Związane z tym przemieszczenie ładunków pociąga za sobą wytworzenie skoku potencjału elektrycznego w pewnym wąskim obszarze samego złącza p-n. W obszarze złącza poziom Fermiego jest oddalony od pasm dozwolonych, mamy tu niemobilne jony i brak mobilnych nośników ładunku, a zatem obszar złego przewodnictwa elektrycznego!Woltomierze nie mierzą napięciauzyskanego zwyrównaniapoziomu Fermiego!Sytuację możnazmieniać przezprzyłożenie zzewnątrz napięcia,które wymusi pochylenie poziomuFermiego i zmieniszerokośćobszaru złegoprzewodzenia.

Diody. Prostym i często spotykanym półprzewodnikowym a przy tym nieliniowym (nie omowym) elementem jest dioda czyli pojedyncze złącze p-n. W równowadze złącze p-n zawiera dyfuzyjną barierę potencjału, znikomy prąd pokonywania bariery przez nośniki większościowe jest równoważony znikomym prądem utworzonym przez nośniki mniejszościowe (nośniki mniejszościowe tworzą prąd zgodny z polem elektrycznym w barierze). Poziom Fermiego (tak jak potencjał chemiczny) jest wyrównany w całej objętości układu p-n dopóki nie przyłożymy zewnętrznego napięcia wymuszającego prąd. Zależność prądu w diodzie od napięcia przyłożonego na zaciski diody (wymuszającego pochylenie poziomu Fermiego, zmianę wysokości bariery i zmianę szerokości obszaru przejściowego)ma przybliżaną postać: gdzie: m parametr korekcyjny(1 do 2), dla T = 300 KUT= kBT/q = 0.0255 V Linia przerywanailustruje złącze omowe(kontakt omowy).

Pokonywanie bariery i zależność wykładnicza(dla tych, którym „nie leży” fizyka statystyczna)

Prąd i1 stanowią nośniki większościowe (elektrony z jednej i dziury z drugiej strony złącza) pokonujące barierę. Prąd i2 natomiast stanowią nośniki mniejszościowe (dziury z jednej i elektrony z drugiej strony złącza) przyspieszane napięciem bariery. Prąd i2 zależy od gęstości nośników mniejszościowych docierających do bariery, więc zależy od temperatury, natomiast nie zależy od napięcia na samej barierze.

Polaryzacja złącza napięciem V tak jak na rys. obniża barierą i gwałtownie zwiększa prąd już przy ułamku Volta. Odwrócenie polaryzacji daje znikomy i rosnący z napięciem prąd - jest to polaryzacja zaporowa. Przy znacznym napięciu może jednak dojść do „przebicia lawinowego” przy którym elektrony po stronie P są przyspieszane do energii wystarczającej do jonizacji atomów i pomnażania par elektron – dziura. Może też dojść do przebicia Zenera polegającego na uzyskaniu wystarczająco dużego pola elektrycznego w obszarze samego złącza tak aby następowała jonizacja polowa i tą drogą lawinowe powiększanie prądu.

Do ważnych parametrów diody należą: napięcie otwarcia (zależy od przerwy energetycznej materiału i jego domieszkowania), dopuszczalne napięcie wsteczne, dopuszczalne natężenie prądu przewodzenia i szybkość przełączania (zależy od ruchliwości nośników ładunku).

Widać, że elektrony są bardziej ruchliwe.

Diody działają jak „jednokierunkowe zawory” zezwalające na przepływ prądu tylko w jednym kierunku (od anody do katody). Ta cecha pozwala zamieniać prąd przemienny na prąd stały. Diody krzemoweNapięcie otwarcia (początek dobrego przewodzenia)diody krzemowej w temperaturze pokojowej wynosiokoło 0,65 V (diody mocy mają napięcie progowe około 1 V). Ze względu na małą szybkość przełączania głównym obszarem zastosowania diod krzemowych są prostowniki w zasilaczach urządzeń elektronicznych. Do prostowania (przewodzenia tylko w jednym kierunku) dużych napięć stosowane są diody wysokonapięciowe, które w istocie stanowią szeregowe połączenie określonej liczby diod (złączy p-n) w jednej obudowie. Napięcie otwarcia takiej kaskady diod jest wielokrotnie większe od 0,65 V (tyle razy większe od 0,65 V ile diod znajduje się w kaskadzie).

Ponieważ napięcie otwarcia diody zależy od jej temperatury, diody mogą być stosowane do pomiaru temperatury. Dla diod krzemowych ∆V = -2(mV/K) × ∆T(K) co sprawia, że diody te stosowane są jako termometry w laboratoriach kriogenicznych pracujące w zakresie temperatur 1,8 – 400 K.Diody germanowe nie wyszły z użycia ze względu na niski spadek napięcia – 0,3 V przy otwarciu (tj. przy polaryzacji w kierunku przewodzenia).Dioda ogólnego zastosowania i dioda prostownicza powinny mieć duże graniczne napięcie zaporowe (wsteczne).

Kontakty metal-półprzewodnik. Decydują wartości prac wyjścia Φm Φs i są 4 przypadki:1) Φm < Φstypu-n – kontakt omowy,2) Φm > Φstypu-n – kontakt prostujący (Schottky’ego),3) Φm < Φstypu-p – kontakt prostujący (Schottky’ego),4) Φm > Φstypu-p – kontakt omowy,

W przedstawionych uproszczonych modelach nie uwzględniono stanów powierzchniowych.

Φm < Φstypu-n – kontakt omowy

Kontakty omowy metal- półprzewodnik typu pΦm > Φs typ p

Kontakty omowy metal- półprzewodnik uzyskiwany przez silne domieszkowanie. Silne domieszkowanie oznacza wąską barierę umożliwiającą tunelowanie elektronów.

Φm > Φstypu-n – kontakt prostujący (Schottky’ego),

W – obszar nie przewodzący

Φb – bariera Schottky’ego(dla elektronów z metalu),Vbi – napięcie wbudowane.

Φm < Φstypu-p – kontakt prostujący (Schottky’ego)

Ponieważ elektrony mają większą niż dziury ruchliwość to diody Schottky’ego buduje się jednak głównie z półprzewodnikami typu n.

Diody Schottky’ego (złącze metal-półprzewodnik) wyróżnia mały czas przełączania, rzędu 100 ps. Napięcie otwarcia około 0,3 V.

Diody Zenera (stabilistor) i lawinowe, polaryzowane zaporowo, stosowane są do stabilizowania napięcia. Napięcia stabilizacji mogą wynosić od 2 do 200 V. Prąd może się zmieniać w szerokim zakresie przy znikomych zmianach napięcia. (następuje przy nich otwieranie diody lawinowe lub Zenera, natomiast zwykłe i tu nie wykorzystywane napięcia otwarcia wynoszą ≈ 0,6V).

Dioda pojemnościowa (warikap, waraktor) wykazuje znaczną zmianę pojemności złącza. Pojemność maleje od kilkuset pF do kilku pF ze wzrostem napięcia wstecznego.

Diody tunelowe, do prostowania, generacji i wzmacniania przebiegów elektrycznych w zakresie mikrofal. Należą do nich diody tunelowe Esakiego, diody Gunna, diody ładunkowe i inne.Diody tunelowe wykonywane są z krzemu, arsenku galu, antymonku galu (rzadko z germanu).Powstają na złączach p+-n+ silnie domieszkowanych.

Diody świecące (LED) mając silnie domieszkowane złącza p-n świecą gdy są spolaryzowane (zasilane) w kierunku przewodzenia. Z opornikiem zabezpieczającym są uniwersalnymi detektorami napięć.

Polaryzując w kierunku przewodzenia złącze p-n wykonane z odpowiedniego materiału uzyskujemy efektywne świecenie, zamianę energii elektrycznej na światło. Napięcie polaryzacji wynosi 1,2 do ponad 2 V (prądy 20 – 100 mA).

Pytanie: czy można diody LED stosować do pomiaru oświetlenia?Odpowiedź: w zasadzie można bo złącze jest „czułe” na zewnętrzne oświetlenie, ale ta czułość jest słaba!Do tego celu przeznaczone są fotodiody.

Taka struktura eliminuje re-absorpcję.

Fotodiody przeznaczone są do detekcji światła.Pracują będąc spolaryzowane zaporowo, oświetlenie powoduje generowanie par elektron-dziura w złączu p-n (lub p-i-n) i zwiększenie prądu diody przy tej zaporowej polaryzacji.

Diody PIN

Dioda PIN (z ang. P-type, Intrinsic, N-type semiconductor) jest diodą półprzewodnikową, w której pomiędzy warstwami o przewodnictwie typu p i typu n znajduje się szeroka, słabo domieszkowana warstwa o przewodnictwie samoistnym. Warstwy zewnętrzne są silnie domieszkowane, gdyż spełniają rolę kontaktu omowego z wyprowadzeniami. Strukturę diody PIN ilustruje rysunek. Dioda taka pracuje w warunkach silnego wstrzykiwania nośników (elektronów z n+ i dziur z p+) do warstwy środkowej. Dla wymuszeń o małej częstotliwości, gdy nośniki w warstwie pośredniej nadążają rekombinować, diody PIN zachowują własności prostownicze. Natomiast przy wysokiej częstotliwości wymuszeń koncentracja nośników nie nadąża za szybkimi zmianami napięcia pozostając praktycznie stałą. W tych warunkach dioda zachowuje się jak opornik, którego rezystancja jest zależna od koncentracji nośników. Dla polaryzacji w kierunku zaporowym diody PIN, dzięki niskiej koncentracji nośników, charakteryzuje wysoka rezystancja - rzędu 10 kΩ oraz niska pojemność rzędu 1 pF. W przypadku polaryzacji w kierunku przewodzenia koncentracja nośników w zależności od natężenia prądu może zwiększyć się o kilka rzędów co powoduje spadek rezystancji nawet poniżej 0,1 Ω. Wynika z tego, że polaryzując diodę PIN stałym napięciem (lub napięciem o niskiej częstotliwości) mamy rezystor o sterowanej rezystancji. Diody PIN wykorzystywane są w optoelektronice jako fotodiody, jako diody LED oraz jako modulatory optyczne. Pracują również w charakterze baterii słonecznych. Dzięki znikomej pojemności diody PIN stosowane są również jako przełączniki w zakresie częstotliwości aż do mikrofal włącznie. Diody te można wykorzystać w zakresie wysokich częstotliwości w tłumikach o regulowanym tłumieniu, szybkich przełącznikach (1 µs), szybkich detektorach promieniowania (od dalekiej podczerwieni po promieniowanie rentgenowskie) oraz w wysokonapięciowych układach energoelektronicznych. Diody PIN mogą także zabezpieczać przed przesterowaniem wejścia urządzeń wysokiej częstotliwości. Przy roboczym sygnale dioda nie jest spolaryzowana i będąc połączona równolegle z wejściem zachowuje się jak kondensator o pojemności rzędu 1 pF. Przy dużej amplitudzie sygnału w-cz dioda zaczyna przewodzić bocznikując wejście, co ogranicza dalszy wzrost napięcia

Diody w.cz.

Punktowe złącze zapewnia małą pojemność.

Diody wykazują w pewnych wąskich przedziałachnapięć gwałtowny wzrost prądu (patrz charakterystyka I-V,napięcie otwarcia diody, lub napięcie jonizacji lawinowej lub Zenera).

To oznacza, że nie należy do zacisków diody włączaćźródło napięcia o małej impedancji wewnętrznej.Szeregowo z diodą powinna być włączona opornośćbezpiecznie ograniczająca natężenie prądu w diodzie!!!

Wyznaczanie warunków pracy diody

Graficznie wyznaczone natężenia prądu w układzie: źródło napięcia US, rezystancja R i dioda krzemowa D (otwierająca się przy około 0,6 V i nie przekracza 0,7 V).

Przykład. Wyznaczyć stan przewodzenia diody krzemowej w układzie jak na rys „a”.Rozw. Rozważmy schemat bez diody: rys. „b”.Interesuje nas skok potencjału na zaciskach, doktórych zostanie podłączona dioda: U1 – U2

(zakładamy wstępnie, że dioda nie przewodzii zastępujemy ją przerwą w obwodzie!). U1 = UAR2/(R1 + R2) = (12 V)×10/(5 + 10) = 8 V.U2 = 11 V,zatem U1 – U2 = 8 – 11 = - 3 V =>Wniosek: dioda nie przewodzi(jest polaryzowana zaporowo).

Przykład. Wyznaczyć stan przewodzenia diody krzemowej w układzie jak na rys a).Rozw. Rozważmy schemat bez diody: rys. b).Interesuje nas skok potencjału na zaciskach, doktórych zostanie podłączona dioda U1 – U2

(przed podłączeniem diody!). U1 = UAR2/(R1 + R2) = (120 V)×10/(5 + 10) = 80 V.U2 = 11 V, zatem U1 – U2 = 80 – 11 = + 69 V =>Wniosek: dioda przewodzi (jest otwarta).Otwarta dioda pozostawi na sobie tylko 0,7 Va nie 69 V. Aby obliczyć prądy i napięcia teraz, należyrozwiązać np. równania wynikające z praw Kirchhoffa:120 V = R1IR1 + R2IR2

120 V – 11 V = R1IR1 + 0,7 V + R3ID

IR1 = IR2+ ID; po rozwiązaniu otrzymamy:IR1 = 11,415 A, ID = 5,1225 A, IR2 = 6,2925 A,UR1 = 5 Ω × 11,415 A = 57,075 V,U1D = 120 V – 57,075 V = 62,925 V =>U2D = U1 – 0,7 V ≈ 62,23 V.Dla bardziej uproszczonej analizy można wartość0,7 V zastąpić przez 0 V (zwarcie) gdy wiemy, że dioda jest otwarta.

Przykład. Wyznaczyć przebieg napięcia na zaciskach obciążeniaRo (rzędu 1 kΩ) włączonego w obwód źródła napięcia Ui = 3sinωt (gdzie ω = 2π50 rad/s) i diody krzemowej D.Rozw.Gdy dioda jest polaryzowanaw kierunku przewodzenia i jestotwarta to zostawiamy na niejokoło 0,6 V a resztę z napięcia źródła przypada na rezystancjęobciążenia Ro (pomijamywewnętrzną oporność źródła).Gdy natomiast dioda jestpolaryzowana w kierunkuzaporowym to na jej zaciskachzostawiamy całe napięcie źródłabo teraz rezystancja diody jestbardzo duża i dominuje nad Ro.

Przykład. Wyznaczyć wartość napięcia U1 przy którym dioda krzemowa D zacznie przewodzić.Rozw. U1 przew = UB + 0,6 V = 2 V + 0,6 V = 2,6 V.

Dobór diodyPrzy doborze diody do zadanego zastosowania należy posłużyć się jej specyfikacją (danymi technicznymi, ang, data sheet). Znajdziemy tam tablice zawierające między innymi wielkości dopuszczalne (które nie należy przekraczać), rozmiary diody itp.

P100°C = 2,5 W –(100 – 25)°C ×0,02W/C° = 1 W.

Dobór diody dalszeparametry icharakterystyki.Przy 100°Cprąd tylko 0,6 A! =>

Przykład. Wyznaczyć punkt pracy diody 1N941 w podanym układzie orazmoc traconą przez baterię 12 V.Rozw. Wyznaczamy układ zastępczy Thevenina:UT = USR2/(R1 + R2) =12×10/(50 + 10) = 2 VRT = (R1×R2)/(R1 + R2) + R3 + R4 =10×50/(10 + 50) + 20 + 20 = 48,3 Ω

Aby wrysować linię obciążenia 48,3 ΩWybieramy dwa punkty: (U = 0 V,I = (2 V)/(48,3 Ω)) i (U = 2 V, I = 0 A). Punktpracy Pp dany jest przez: U = 1 V, I = 20 mA.UR2 = IPp×(R3+R4) + UPp=0,02×40 + 1 = 1,8VIB = IR2 + ID = (1,8 V)/(10 Ω)+0,02 A = 0,182 AMoc PB = UB×IB = 12 V × (0,182 A + 0,02 A) =2,424 W

Układy z diodami prostowniczymiUkłady clamp. W układach clamp kondensator C efektywnie ładuje się poprzez diodę i nieefektywnie przeładowuje przez impedancję Ro przy: RoC >>T.Zależnie od podłączenia diody Uout ≅ Uin ± amplituda Uin.

Układy z diodami prostowniczymi

Zasilacz napięcia stałego Prostownik(trafo – układ Graetza, regulator i stbilizator)

Zasilanie w postaci zasilacza sieciowego lub baterii (akumulatora) jest podzespołem, który znajduje się w niemal każdym urządzeniu elektrycznym i elektronicznym – ożywia go.

Przykład. Obliczyć dopuszczalny zakres rezystancjiobciążenia stabilizatora napięcia z diodą Zenera jak na rys.Wiedząc, że dopuszczalna moc diody zenera na UZ = 14 Vwynosi 5 W a napięcie źródła US = 50 V. (Rźródła = 30 Ω).Rozw. Najmniejszą wartość Ro znajdujemy z założenia,że cały prąd ze źródła płynie przez obciążenie (prawie nic przez diodę)i mamy jeszcze 14 V na zaciskach Ro: Romiń = UZ/IS = UZ/[(US – UZ)/30] = 14/(36/30) = 11,7 ΩDla tej wartości moc w diodzie Zenera nie jest wydzielana IDZ = 0.Maksymalną wartość Ro znajdziemy z założenia, że w diodzie Zenera wydziela się maksymalna dopuszczalna moc 5 W. Wtedy prąd diody ZeneraIzmax = PZ/UZ = 5/14 = 0,357 A. Prąd jaki daje źródło przynapięciu 14 V na rezystancji obciążenia wynosi:IS = (US – UZ)/30 = (50 -14)/30 = 36/30 = 1.2 A.Romax = UZ/IRo miń = 14/(IS – Izmax) = 14/(1,2 – 0,357) = 16,6 Ω11,7 Ω < Ro < 16,6 Ω.Komentarz. Warto podkreślić, że ten stabilizator nie może pracować bez obciążenia!

Przykład. Obliczyć amplitudę tętnień Uoripple na obciążeniuRo = 150 Ω wiedząc, że napięcie źródłaUźródła = US + Uripple = 14 V ± 1 V, UZ = 8 V, rZ = 5 Ω,rezystancja źródła RS = 30 Ω. Zastosować przybliżenieliniowe dla składowej zmiennej.Rozw. Rozważymy osobno składowe stałe iskładowe zmienne napięć poprzez odpowiednieobwody zastępcze jak na rys.Dla składowych stałych mamy (z zasady superpozycji):Uo = US(rZ||Ro)/(rZ||Ro + RS) + UZ(RS||Ro)/(RS||Ro + rZ) =14×4,84/(4,84 + 30) + 8×25/(25 + 5) = 1,94 + 6,67 = 8,6 VUoripple = Uripple(rZ||Ro)/(rZ||Ro + RS) = 1×4,84/(4,84 + 30)=0,14VKomentarz. Widać, że rezystancja dynamiczna diody Zenera rZ powinna być znacznie mniejsza od RS i Roaby stabilizacja była efektywna (małe „ripple”).W praktyce raczej się to nie udaje, ale są innerozwiązania.

Przykładowy układ scalony LM317Ldo stabilizacji i regulacji napięcia.

Powielacz napięcia

Prosty termometr diodowySygnałem informującym o temperaturze jest spadek napięcia na diodzie UD przy stałym natężeniu prądu przewodzącej diody.

Inne zastosowania diod:

Fotodiody.Przy odpowiedniej konstrukcji diody (przezroczysty element obudowy) możliwy jest wykorzystanie wrażliwości złączy p-n na światło. Takie diody nazywamy fotodiodami. Kwanty światła docierając do złącza p-n mogą generować pary elektron-dziura w procesie fotojonizacji. Dioda jest polaryzowana zaporowo a jej prąd jest sumą: - (Io + Iphoto) i taki układ jest detektorem światła.

Nie spolaryzowana dioda podczas jej oświetlania może natomiast pracować jako bateria słoneczna.

Przykład. Dla układu (rys.) z diodą LED o parametrach ULED = 1,7 V, ILED = 40 mA wyznacz: a) pobór mocy przez diodę, b) wartość rezystancji R, c) moc pobieraną ze źródła napięcia.Moc pobierana przez diodę P = ULED × ILED = 1,7 × 0,04 = 68 mW.Wartość rezystancji musi spełniać bilans napięć:US = ILEDR + ULED => R = (US – ULED)/ILED =(5 – 1,7)/0,04 = 82,5 Ω. Moc oddawana z baterii 5 V wynosi:Pbat = USILED = 5 × 0.04 = 0,2 W.

Obudowana para: LED – Fotodiodajest nazywana opto-izolatorem lubtransoptorem (opto-coupler)Przy pomocy transoptorów można sprzęgać obwody elektryczne znajdujące się na różnych piedestałach napięciowych.Przykładowo można z ich pomocą przekazywać sygnał między komputerem (uziemionym) a urządzeniem znajdującym się na wysokim względem „ziemi” potencjale elektrycznym. Ze względu na nieliniowość charakterystyki (i-v) diody bardziej nadają się do komunikacji cyfrowej niś analogowej.

Dioda Laserowa (LD). Diody z akcją laserową zapewniają widmo o wąskim przedziale długości fali. Osiągane są wydajności 50% i moce około 102 W (fali ciągłej). Częstotliwość modulacji sygnału poprzez modulację prądu sięga wartości do kilku GHz. Olbrzymie zastosowanie (optoelektronika, telekomunikacja-układy światłowodowe,

medycyna, CD-ROM, DVD, HD, TV, drukarki itp.)

Porównanie wydajności źródeł światłaŻarówki - 4%Diody LED – 25%LD – 50% (i więcej).

EEM lista 8 1. Pokazać, które diodyprzewodzą prądi wyznaczyć napięcieUout.

2. Narysować Uwy gdy Uwe = 5sin(ωt) V.

3. Dobierz kondensator C tak aby pulsacja napięcia na odbiorniku R = 1 kΩ wynosiła nie więcej niż 1% jego wartości średniej.

lista 8, odpowiedź do zadania 1c.Zakładamy, że obie diody są polaryzowane do przewodzenia.Napięcia źródeł różnią się o mniej niż 0,7 V a rezystancje przynich (12 Ω i 6 Ω) różnią się też nieznacznie co oznacza,że prawie na pewno obie diody będą otwarte.Sprawdzamy to założenie: 5,4 V – 0,6 V=ID1×12 Ω+(ID1 + ID2)18 Ω, -> 4,8 = 30ID1+18ID2

5 V – 0,6 V = ID2×6 Ω + (ID1 + ID2)18 Ω, -> 4,4= 6ID1+24ID2

4,8 = 30ID1+18ID2 22 = 30ID1+120ID2 => 22 - 4,8 = 102ID2 => ID2 = 17,2/102 = 0,169 A,4,8 = 30ID1+18 × 0,169 => ID1 = 0.059 A,Uout = 18 Ω × (ID1 + ID2) = 4,1 VOtrzymany wynik potwierdził założenie, że obie diody są otwarte.

Zamieńmy 5,4 v na 54 V:54 V – 0,6 V =ID1×12 Ω+(ID1 + ID2)18 Ω, -> 53,4 = 30ID1+18ID2

5 V – 0,6 V = ID2×6 Ω + (ID1 + ID2)18 Ω, -> 4,4= 6ID1+24ID2

53,4 = 30ID1+18ID2 22 = 30ID1+120ID2 => 22 – 53,4 = 102ID2 => ID2 = -31,4/102 = -0,306 A,Ujemna wartość ID2 oznacza, że mieliśmy błędne założenie o otwarciu obu diod.Tu trzeba założyć, że tylko dioda D1 jest otwarta i ponownie sprawdzić założenie.

Jako zadanie domowe można sprawdzić jak zmienić wartość rezystora 12 Ω.aby obie diody były ponownie otwarte. Wskazówka na następnej stronie.

Jako zadanie domowe można sprawdzić jak zmienić wartość rezystora 12 Ω, aby obie diody były ponownie otwarte.

W tym celu można dokonać przerwy(odłączenia diody D2) tak jak narysunku C)’’. Następnie obliczyć Uout isprawdzić czy jest ono większe czymniejsze od 5 V – 0,6 V = 4,4 V dającszansę otwarcia D2 (gdy Uout <4,4 V)!