Περιοχή φορτίων χώρου

Transcript

1 1. ΔΙΟΔΟΙ 1.1. Γενικά Η δίοδος αποτελείται από έναν ημιαγωγό τύπου «p» (φορείς πλειονότητας: οπές) και έναν ημιαγωγό τύπου «n» (φορείς πλειονότητας: ηλεκτρόνια). Γύρω από την επαφή p-n, δημιουργείται μια στενή περιοχή («περιοχή φορτίων χώρου») στην οποία, λόγω αμοιβαίας διάχυσης οπών και ηλεκτρονίων, οι εν λόγω φορείς εξουδετερώνονται. Περιοχή φορτίων χώρου p n Στην περιοχή φορτίων χώρου δημιουργείται το λεγόμενο «φράγμα δυναμικού» (0,7 V για τις διόδους πυριτίου, 0, V για τις διόδους γερμανίου). Η δίοδος θεωρείται ορθά πολωμένη όταν ο θετικός πόλος της πηγής τροφοδοσίας συνδέεται με την περιοχή τύπου «p» (και ο αρνητικός με την περιοχή τύπου «n»). Κατά την ορθή πόλωση η δίοδος διαρρέεται από ρεύμα όταν η τάση της πηγής (V ) υπερβαίνει την τάση του φράγματος δυναμικού (δηλαδή όταν V > V K ). Για τον λόγο αυτόν, το φράγμα δυναμικού χαρακτηρίζεται και ως «τάση κατωφλίου» V K. Κατά την ανάστροφη πόλωση το ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο είναι αμελητέο οπότε η δίοδος συμπεριφέρεται ως μονωτής. Χαρακτηριστική διόδου Η χαρακτηριστική της διόδου δίνει το ρεύμα I D που διαρρέει τη δίοδο ως συνάρτηση της τάσης V D στα άκρα της διόδου. Η ακριβής μορφή της υπόψη σχέσης είναι Ι D = I o (e qv D /nkt 1) (q = 1,6x10 19 Cb το φορτίο του ηλεκτρονίου, n σταθερά, k η σταθερά Boltzman και Τ η απόλυτη θερμοκρασία). Σύμφωνα με τη σχέση αυτή, σε θερμοκρασία δωματίου για τάση V D = V K ( 0,7 V για το i και 0, V για το Ge), προκύπτει I s 0. Η αντίσταση σώματος r B της διόδου δίνεται από τον τύπο Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.1

2 r B = dv di D D (σε Ω) και αποτελεί την πραγματική ωμική αντίσταση της διόδου. Για τη δίοδο, ορίζεται, επίσης, η DC αντίσταση VD dc = (σε Ω) I D που όμως έχει μικρή πρακτική σημασία. Στην πράξη, η εκθετική σχέση που περιγράφει τη χαρακτηριστική της διόδου απλοποιείται στη γραμμική (κατά τμήματα) χαρακτηριστική που φαίνεται στο σχήμα. Έτσι Σε κατάσταση ορθής πόλωσης, η δίοδος έχει χαμηλή αντίσταση σώματος r B (μερικά Ω) και συμπεριφέρεται ως αγωγός. Στην κατάσταση αυτή, ισχύει ότι Ι D = (V D V Κ )/r B Σε κατάσταση ανάστροφης πόλωσης, η δίοδος έχει υψηλή αντίσταση σώματος r B (της τάξης των kω) και συμπεριφέρεται ως μονωτής (Ι D 0). Όταν η ανάστροφη τάση υπερβεί μια χαρακτηριστική τιμή V Z (τάση διάσπασης) η δίοδος (αν και ανάστροφα πολωμένη) αρχίζει να διαρέεται από ανεξέλεγκτα αυξανόμενο ρεύμα Ι Ζ και,τελικά, καταστρέφεται. Ι D = (V D V Κ )/r B I D (ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο) V + V D Ι D ανάστροφη πόλωση V Z V K ορθή πόλωση V D (τάση στα άκρα της διόδου) Αντιπροσωπευτικές δίοδοι (γενικής χρήσης): 1Ν4001 1Ν4007. Για τη μελέτη μιας διόδου ως στοιχείου κυκλώματος, η χαρακτηριστική της διόδου πρέπει να συνδυαστεί με το νόμο του Ohm (ευθεία φορτίου) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.

3 Ι D = V V D I D (ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο) Ι D = (V D V Κ )/r B ορθή πόλωση ανάστροφη πόλωση V Z V K ευθεία φορτίου (νόμος Ohm) Ι D = (V V D )/ V D (τάση στα άκρα της διόδου) Επισημαίνονται τα εξής: Συχνά, στην επίλυση κυκλωμάτων με διόδους, θεωρείται ότι r B 0 ( η προσέγγιση). Αυτό σημαίνει ότι η χαρακτηριστική της διόδου είναι κατακόρυφη για V V K. Η χαρακτηριστική της διόδου, όπως αναλύθηκε παραπάνω ισχύει για συνεχείς (DC) τάσεις και ρεύματα. Για μικρά εναλλασσόμενα (AC) σήματα, η δίοδος μπορεί να προσομοιωθεί με μια ωμική αντίσταση r AC 5mV/Ι D (όπου I D το DC ρεύμα και 5mV συντελεστής που ισχύει για θερμοκρασία δωματίου). Η αντίσταση αυτή είναι, συνήθως πολύ μικρή, γι αυτό και αμελείται. Α.P. Malvino, Ηλεκτρονική, ενότητες.4.11, , 3.10 (και λυμένα παραδείγματα). Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, κεφάλαιο (και λυμένα παραδείγματα) 1.. Ανόρθωση (με διόδους) Ημιανόρθωση V out,p v in (t) = 0 Vrms L V dc Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.3

4 Tάση δευτερεύοντος μετασχηματιστή: V,rms = V,p = V in, rms n Tάση στην έξοδο της διόδου (peak θετική ημιπερίοδος): V diode,out,p = V,p V κ = V,p 0,7 Vdiode,out, p Μέση τιμή ανορθωμένης (DC) τάσης εξόδου: V dc = = 0,318 V,p π Vdc Μέση τιμή ρεύματος εξόδου: I dc = Ρεύμα διόδου: V in, p L I diode = I dc Συχνότητα σήματος εξόδου: f out = f in 1... Πλήρης ανόρθωση με μεσαία λήψη σε μετασχηματιστή V out,p v in (t) = 0 Vrms L v,half (t) V dc Tάση δευτερεύοντος μετασχηματιστή: V,rms = V in, rms n V,p = Tάση μεσαίας λήψης (peak): V,half,p = Μέση τιμή ανορθωμένης (DC) τάσης εξόδου: V dc = Μέση τιμή ρεύματος εξόδου: I dc = V V in, p V dc L V, p π,half, p = 0,636 V,p Ρεύμα διόδου: I diode = I dc Συχνότητα σήματος εξόδου: f out =.f in Πλήρης ανόρθωση με γέφυρα Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.4

5 Χωρίς εξομάλυση κυματομορφής εξόδου ~ V out,p v in (t) = 0 Vrms + L V dc ~ Ισχύουν οι ίδιες εξισώσεις με αυτές της πλήρους ανόρθωσης με μετασχηματιστή Σε πραγματικές γέφυρες οι τέσσερις ακροδέκτες είναι σημειωμένοι με «+», (ακροδέκτες φορτίου) και «~», «~» (ακροδέκτες δευτερεύοντος μετασχηματιστή). Με πυκνωτή εξομάλυνσης V ripple v in (t) = 0 Vrms C L I dc = V dc L I V ripple = dc fc V dc = V out,p V ripple Α.P. Malvino, Ηλεκτρονική, ενότητες (και λυμένα παραδείγματα). Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, κεφάλαιο 4 (και λυμένα παραδείγματα) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.5

6 1.3. Δίοδοι για ειδικές χρήσεις Δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) Οι δίοδοι αυτές λειτουργούν ορθά πολωμένες. Η ιδιαιτερότητά τους έγκειται στο γεγονός ότι η επανασύνδεση των φορέων αγωγιμότητας (οπών και ηλεκτρονίων) προκαλεί τη δημιουργία και εκπομπή φωτονίων. I = V V in K,LED H τιμή της V κ,led δίνεται από τον κατασκευαστή (όταν δεν είναι διαθέσιμη μπορεί να θεωρηθεί V Κ,LED V). Αντιπροσωπευτικές δίοδοι: TIL1, TIL Α.P. Malvino, Ηλεκτρονική, ενότητα 5.8 (και λυμένα παραδείγματα). Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, ενότητα 3.1 (και παράδειγμα 3.1) 1.3. Δίοδοι μεταβλητής χωρητικότητας (varactors ή varicaps) Οι δίοδοι αυτές λειτουργούν ανάστροφα πολωμένες. Η ιδιαιτερότητά τους έγκειται στο γεγονός ότι η χωρητικότητά της είναι μεταβλητή και ελέγχεται (ρυθμίζεται) με τη βοήθεια εξωτερικής τάσης. Περιοχή ρύθμισης χωρητικότητας διόδου (Transmission ange): T = Όταν μια varactor είναι στοιχείο κυκλώματος L-C, ισχύουν οι σχέσεις: 1 Συχνότητα συντονισμού κυκλώματος L-C: f o = π LC 1 Περιοχή ρύθμισης συχνότητας συντονισμού: f o,min = π f o,max = π LC max 1 LC min C C max min Α.P. Malvino, Ηλεκτρονική, ενότητα 5.11 Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, ενότητα 3.3 (και παράδειγμα 3.1) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.6

7 Δίοδοι Zener Οι δίοδοι αυτές λειτουργούν (ανάστροφα πολωμένες) στην τάση διάσπασης V Z (είναι ειδικά κατασκευασμένες για να μην καταστρέφονται όταν υπόκεινται στη συγκεκριμένη τάση). Η βασική τους χρήση είναι ως στοιχεία σταθεροποίησης τάσης. Ι Ζ Ι L V Ι L I = I L = V V V Z L Z I Z = I I L P Z,max = I Z,max V Z H τιμή της V Ζ δίνεται από τον κατασκευαστή (αλλάζει από δίοδο σε δίοδο). Αντιπροσωπευτικές δίοδοι: 1N746. Α.P. Malvino, Ηλεκτρονική, ενότητες 5.1 έως και 5.4 (και λυμένα παραδείγματα) Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, κεφάλαιο 4 (και λυμένα παραδείγματα) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.7

8 1.4. Στοιχεία για το εργαστήριο Από τον κατασκευαστή, συνήθως παρέχονται τα εξής στοιχεία: Oι βασικοί περιορισμοί για τη λειτουργία της διόδου (maximum ratings), π.χ. μέγιστο ρεύμα ορθής πόλωσης Ι F,max μέγιστο επίρρευμα Ι surge (και για πόσο χρόνο είναι ανεκτό) τάση διάσπασης V B κλπ. Διάφορα λειτουργικά στοιχεία (και θερμοκρασιακή συμπεριφορά) Πρόχειρος έλεγχος μιας διόδου μπορεί να γίνει μετρώντας την r B για ορθή και ανάστροφη πόλωση (ο μεταξύ τους λόγος πρέπει να είναι της τάξης του 1:1000). Α.P. Malvino, Ηλεκτρονική, ενότητες , 4.9, 5.5 Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, ενότητες.8,.9,.10 Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.8