Elektrotechnika elektronika miernictwo Franciszek Gołek

Elektrotechnika elektronika miernictwo Franciszek Gołek

(golek@ifd.uni.wroc.pl)

www.pe.ifd.uni.wroc.pl

Wykład 8.

Diody

Oscylator

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) Detektory

7) Oscylatory

8) 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 lamy z półprzewodnikami

Początki

W 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).

Coherer

jeszcze 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-4 Polskiej 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 (SiO

₂

) 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 ⋅ 10

⁶

S/cm; izolatora np. szkła: 10

^-16

- 10

^-13

S/cm oraz półprzewodnika

np. krzemu: 10

^-6

do 10

²

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 do niej przeskoczyć. Przeskok elektronu walencyjnego do dziury oznacza przemieszczenie się dziury a zatem i przemieszczenie ładunku 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 E_300K = stała Boltzmana ×T = k_B×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 E_F. 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 napięcia uzyskanego z wyrównania

poziomu Fermiego!

Sytuację można zmieniać przez przyłożenie z

zewnątrz napięcia, które wymusi

pochylenie poziomu Fermiego i zmieni szerokość

obszaru złego przewodzenia.

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 K

U_T= k_BT/q = 0.0255 V

Linia przerywana

ilustruje 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 krzemowe

Napięcie otwarcia (początek dobrego przewodzenia) diody krzemowej w temperaturze pokojowej wynosi

około 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 < Φs_typu-n – kontakt omowy, 2) Φm > Φs_typu-n – kontakt prostujący (Schottky’ego),

3) Φm < Φs_typu-p – kontakt prostujący (Schottky’ego),

4) Φm > Φs_typu-p – kontakt omowy,

W przedstawionych uproszczonych modelach nie uwzględniono stanów powierzchniowych.

Φ m < Φ s

_typu-n

– kontakt omowy

Kontakty omowy metal- półprzewodnik typu p

Φ

_m

> Φ

_{s typ p}

Kontakty omowy metal- półprzewodnik uzyskiwany przez

silne domieszkowanie. Silne domieszkowanie oznacza wąską

barierę umożliwiającą tunelowanie elektronów.

Φ m > Φ s

_typu-n

– kontakt prostujący (Schottky’ego),

W – obszar nie przewodzący

Φ_b – bariera Schottky’ego (dla elektronów z metalu), V_bi – napięcie wbudowane.

Φ m < Φ s

_typu-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 przedziałach napięć gwałtowny wzrost prądu (patrz charakterystyka I-V, napięcie otwarcia diody, lub napięcie jonizacji lawinowej lub Zenera).

To oznacza, że nie należy do zacisków diody włączać źródło napięcia o małej impedancji wewnętrznej.

Szeregowo z diodą powinna być włączona oporność bezpiecznie ograniczająca natężenie prądu w diodzie!!!

Wyznaczanie warunków pracy diody

Graficznie wyznaczone natężenia prądu w układzie: źródło napięcia U_S, 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, do których zostanie podłączona dioda: U₁ – U₂

(zakładamy wstępnie, że dioda nie przewodzi i zastępujemy ją przerwą w obwodzie!).

U₁ = U_AR₂/(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, do których zostanie podłączona dioda U₁ – U₂

(przed podłączeniem diody!).

U₁ = U_AR₂/(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 V

a nie 69 V. Aby obliczyć prądy i napięcia teraz, należy rozwiązać np. równania wynikające z praw Kirchhoffa:

120 V = R₁I_R1 + R₂I_R2

120 V – 11 V = R₁I_R1 + 0,7 V + R₃I_D

I_R1 = I_R2+ I_D; po rozwiązaniu otrzymamy:

I_R1 = 11,415 A, I_D = 5,1225 A, I_R2 = 6,2925 A, U_R1 = 5 Ω × 11,415 A = 57,075 V,

U_1D = 120 V – 57,075 V = 62,925 V =>

U_2D = U₁ – 0,7 V ≈ 62,23 V.

Dla bardziej uproszczonej analizy można wartość

0,7 V zastąpić przez 0 V (zwarcie) gdy wiemy, że dioda jest otwarta.

Przykład. Wyznaczyć przebieg napięcia na zaciskach obciążenia

Ro (rzędu 1 kΩ) włączonego w obwód źródła napięcia U_i = 3sinωt (gdzie ω = 2π50 rad/s) i diody krzemowej D.

Rozw.

Gdy dioda jest polaryzowana w kierunku przewodzenia i jest otwarta to zostawiamy na niej około 0,6 V a resztę z napięcia źródła przypada na rezystancję obciążenia Ro (pomijamy

wewnętrzną oporność źródła).

Gdy natomiast dioda jest polaryzowana w kierunku

zaporowym to na jej zaciskach zostawiamy całe napięcie źródła bo teraz rezystancja diody jest bardzo duża i dominuje nad Ro.

Przykład. Wyznaczyć wartość napięcia U

₁

przy którym dioda krzemowa D zacznie przewodzić.

Rozw. U

_{1 przew}

= U

_B

+ 0,6 V = 2 V + 0,6 V = 2,6 V.

Dobór diody

Przy 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.

P

_100°C

= 2,5 W –

(100 – 25)°C ×

0,02W/C° = 1 W.

Dobór diody dalsze parametry i

charakterystyki.

Przy 100°C

prąd tylko 0,6 A! =>

Przykład. Wyznaczyć punkt pracy diody 1N941 w podanym układzie oraz moc traconą przez baterię 12 V.

Rozw. Wyznaczamy układ zastępczy Thevenina:

U_T = U_SR₂/(R₁ + R₂) =12×10/(50 + 10) = 2 V R_T = (R₁×R₂)/(R₁ + R₂) + R₃ +R₄ =

10×50/(10 + 50) + 20 + 20 = 48,3 Ω

Aby wrysować linię obciążenia 48,3 Ω Wybieramy dwa punkty: (U = 0 V,

I = (2 V)/(48,3 Ω)) i (U = 2 V, I = 0 A). Punkt pracy Pp dany jest przez: U = 1 V, I = 20 mA.

U_R2 = I_Pp×(R₃+R₄) + U_Pp=0,02×40 + 1 = 1,8V I_B = I_R2 + I_D = (1,8 V)/(10 Ω)+0,02 A = 0,182 A Moc P_B = U_B×I_B = 12 V × (0,182 A + 0,02 A) = 2,424 W

Układy z diodami prostowniczymi

Układy clamp. W układach clamp kondensator C efektywnie ładuje się poprzez diodę i nieefektywnie przeładowuje przez impedancję R_o przy: R_oC >>T.

Zależnie od podłączenia diody U_out ≅ U_in ± amplituda U_in.

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 rezystancji

obciążenia stabilizatora napięcia z diodą Zenera jak na rys.

Wiedząc, że dopuszczalna moc diody zenera na U_Z = 14 V wynosi 5 W a napięcie źródła U_S = 50 V. (R_źródła = 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:

Ro_miń = U_Z/I_S = U_Z/[(U_S – U_Z)/30] = 14/(36/30) = 11,7 Ω

Dla tej wartości moc w diodzie Zenera nie jest wydzielana I_DZ = 0.

Maksymalną wartość Ro znajdziemy z założenia, że w diodzie Zenera wydziela się maksymalna dopuszczalna moc 5 W. Wtedy prąd diody Zenera

Iz_max = P_Z/U_Z = 5/14 = 0,357 A. Prąd jaki daje źródło przy napięciu 14 V na rezystancji obciążenia wynosi:

I_S = (U_S – U_Z)/30 = (50 -14)/30 = 36/30 = 1.2 A.

Ro_max = U_Z/I_{Ro miń} = 14/(I_S – Iz_max) = 14/(1,2 – 0,357) = 16,6 Ω 11,7 Ω < Ro < 16,6 Ω.

Komentarz. Warto podkreślić, że ten stabilizator nie może pracować bez obciążenia!

Przykład. Obliczyć amplitudę tętnień Uo_ripple na obciążeniu Ro = 150 Ω wiedząc, że napięcie źródła

U_źródła = U_S + U_ripple = 14 V ± 1 V, U_Z = 8 V, r_Z = 5 Ω,

rezystancja źródła R_S = 30 Ω. Zastosować przybliżenie liniowe dla składowej zmiennej.

Rozw. Rozważymy osobno składowe stałe i

składowe zmienne napięć poprzez odpowiednie obwody zastępcze jak na rys.

Dla składowych stałych mamy (z zasady superpozycji):

Uo = U_S(r_Z||Ro)/(r_Z||Ro + R_S) + U_Z(R_S||Ro)/(R_S||Ro + r_Z) = 14×4,84/(4,84 + 30) + 8×25/(25 + 5) = 1,94 + 6,67 = 8,6 V Uo_ripple = U_ripple(r_Z||Ro)/(r_Z||Ro + R_S) = 1×4,84/(4,84 + 30)=

0,14V

Komentarz. Widać, że rezystancja dynamiczna diody Zenera r_Z powinna być znacznie mniejsza od R_S i Ro aby stabilizacja była efektywna (małe „ripple”).

W praktyce raczej się to nie udaje, ale są inne rozwiązania.

Przykładowy układ scalony LM317L

do stabilizacji i regulacji napięcia.

Powielacz napięcia

Prosty termometr diodowy

Sygnałem informującym o temperaturze jest spadek napięcia na diodzie U_D 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: - (I_o + I_photo) 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 U

_LED

= 1,7 V, I

_LED

= 40 mA wyznacz: a) pobór mocy przez diodę, b) wartość rezystancji R, c) moc pobieraną ze

źródła napięcia.

Moc pobierana przez diodę P = U

_LED

× I

_LED

= 1,7 × 0,04 = 68 mW.

Wartość rezystancji musi spełniać bilans napięć:

U

_S

= I

_LED

R + U

_LED

=> R = (U

_S

– U

_LED

)/I

_LED

= (5 – 1,7)/0,04 = 82,5 Ω .

Moc oddawana z baterii 5 V wynosi:

P

_bat

= U

_S

I

_LED

= 5 × 0.04 = 0,2 W.

Obudowana para: LED – Fotodioda

jest nazywana opto-izolatorem lub transoptorem (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 10

²

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 światła Żarówki - 4%

Diody LED – 25%

LD – 50% (i więcej).

EEM lista 8

1. Pokazać, które diody przewodzą prąd

i wyznaczyć napięcie

U

_out

.

2. Narysować U_wy gdy U_we = 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 przy nich (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=I_D1×12 Ω+(I_D1 + I_D2)18 Ω, -> 4,8 = 30I_D1+18I_D2 5 V – 0,6 V = I_D2×6 Ω + (I_D1 + I_D2)18 Ω, -> 4,4= 6I_D1+24I_D2 4,8 = 30I_D1+18I_D2

22 = 30I_D1+120ID2 => 22 - 4,8 = 102I_D2 => I_D2 = 17,2/102 = 0,169 A, 4,8 = 30I_D1+18 × 0,169 => I_D1 = 0.059 A,

U_out = 18 Ω × (I_D1 + I_D2) = 4,1 V

Otrzymany wynik potwierdził założenie, że obie diody są otwarte.

Zamieńmy 5,4 v na 54 V:

54 V – 0,6 V =

I_D1×12 Ω+(I_D1 + I_D2)18 Ω, -> 53,4 = 30I_D1+18I_D2

5 V – 0,6 V = I_D2×6 Ω + (I_D1 + I_D2)18 Ω, -> 4,4= 6I_D1+24I_D2 53,4 = 30I_D1+18I_D2

22 = 30I_D1+120I_D2 => 22 – 53,4 = 102I_D2 => I_D2 = -31,4/102 = -0,306 A,

Ujemna wartość I_D2 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 na

rysunku C)’’. Następnie obliczyć U

_out

i sprawdzić czy jest ono większe czy

mniejsze od 5 V – 0,6 V = 4,4 V dając

szansę otwarcia D2 (gdy U

_out

<4,4 V)!