= ~ Téma 3. : Usmerňovacie diódy

Transcript

1 Téma 3. : smerňovacie diódy adanie: 1. Oboznáme sa s kaalógovými údajmi predložených polovodičových diód. 2. Overe funkčnosť diód. 3. meraje V- charakerisiky diód v priepusnom i v závernom smere a znázornie graficky f ( ) a) pre kremíkovú diódu s priechodom pn b) pre chokyho diódu na kremíku 4. nameraných V- charakerisík urče pre obe diódy a) sériový odpor R v priepusnom smere b) sauračný prúd ( vypočía sa z priepusného smeru ) c) diferenciálny odpor r d a saický odpor R s v priepusnom smere pre prúdy 10µ, 1m, 10m a 100m. d) prahové napäie p v priepusnom smere. 5. obraze V- charakerisiky predložených diód osciloskopom. a) rče prahové napäie p v priepusnom smere. b) rče frekvenciu, pri korej dochádza ku deformácii charakerisiky. c) Nakreslie deformovaný priebeh volampérovej charakerisiky. 6. Navrhnie jednoduchý obvod s jednou usmerňovacou diódou, korý usmerní sriedavé napäie na jednosmerné. Pulzujúce napäie vyhlaďe zaradením filra za usmerňovač a pred filračný kondenzáor vlože odpor obmedzujúci nárazový prúd. Pozoruje a popíše časové priebehy sriedavého sínusového napäia na vsupe a výsupe jednoduchého jednocesného usmerňovača. leduje vplyv veľkosi kapaciy filračného kondenzáora na var výsupného napäia meraním a výpočom vyhodnoťe efekívnosť filrovania pri jednolivých kondenzáoroch. 7. Vypočíaje aké by bolo sriedavé napäie u na priepusne polarizovanej kremíkovej dióde z bodu 3a) v obvode podľa obr. 1, ak prúd preekajúci v priepusnom smere je 10m, odpor zapojený do série s diódou má veľkosť R1kΩ a napäie generáora sínusového signálu s frekvenciou 50Hz je ug0,5v? u g R i u Obr ióda v sriedavom obvode. Odporučená lieraúra : PRENÁŠKY - Polovodiče a polovodičové pn priechody, ELEKTRONKÉ PRVKY, návody na cvičenia a prípravu projekov (1999, M. Žiška, Ľ. uchlíková) sr Lubica.uchlikova@suba.sk 21

2 Podklady k realizácii úloh zadania K bodu 1: veďe kaalógové údaje predložených polovodičových diód: napr. maximálne napäie v závernom smere RM, maximálne opakovaeľné napäie v závernom smere RRM, maximálny špičkový priepusný prúd FM, maximálny opakovaeľný prúd v priepusnom smere FRM, sredný usmernený prúd FV, celkový dovolený sraový výkon P o, záverné napäie R pre dané R a priepusné napäie F pre dané F.. K bodu 2: Funkčnosť diód môžee overiť napríklad nasledovne a) harakerograf HMEG nasave na meranie bipolárnych ranzisorov ypu npn a kaódu diódy pripoje na zdierku s označením E a anódu na zdierku s označením. Nasave minimálne meracie rozsahy napäia a sraového výkonu. Po slačení T sa Vám v prípade funkčnej diódy na obrazovke zobrazí priepusná vol-ampérová charakerisika. b) Mulimeer vo funkcii diódy zisťuje rozpojený alebo skraovaný obvod (pípanie, číselný údaj). V prípade diód ukáže úbyok na prechode [mv]. K bodu 3: apoje diódu do obvodu podľa obr. 2. V meracom obvode v priepusnom smere musí byť zaradený ochranno-pracovný rezisor, keďže V- charakerisika diódy je veľmi srmá - veľmi malá zmena napäia pri priepusnej polarizácii spôsobí veľkú zmenu prúdu diódou. a) b) + P + N V N V - K - Obr chéma zapojenia na meranie VH diódy a) v priepusnom a b) závernom smere K Poznámka: Pre kremíkové pn diódy je záverný prúd R nemeraeľný prúd minoriných nosičov náboja p.!!!! Pri meraní je nuné dodržiavať predpísané dovolené hodnoy prúdov a napäí meranej diódy meraje V- charakerisiky diód v priepusnom (min 8 bodov, Fmax 150 m ) a v závernom smere (min 4 body, Rmax 20V), znázornie graficky f ( ). vedome si, že vo VH sledujee ako sa mení prúd ečúci diódou v závislosi od veľkosi napäia pripojeného na diódu. Pri meraní VH diódy v priepusnom smere sa odporúča nasavovať hodnoy prúdu a sledovať odpovedajúce hodnoy napäia. Na cilivejšiu reguláciu prúdu v priepusnom smere je vhodné zaradiť do meracieho obvodu namieso rezisora poenciomeer (obr. 3.2). Pri voľbe meracích bodov daje dôraz na o, aby se vysihli podsau VH v nelineárnej oblasi voľe meracie body husejšie, lineárne časi charakerisiky sačí popísať dvoma bodmi (obr. 3.3). Odporučené hodnoy pri meraní VH v priepusnom smere 10µ, 50µ, 100µ, 250µ, 500µ, 1m, 2m,10m, 20m, 80m, 100m a 150m. Lubica.uchlikova@suba.sk 22 VH i diód chokyho dióda (m) 10 R 0,2 0,6 F R (V) (V) (µ) Obr VH kremíkovej diódy s pn priechodom a chokyho konakom F pn dióda

3 K bodu 4: ériový odpor R vypočíaje z dvoch bodov priepusnej VH diódy R T ln( / ) Vzťah pre R je odvodený zo hockleyho rovnice, korá definuje veľkosť prúdu ideálnou diódou v prípade srmého asymerického pn priechodu v závislosi od napäia na ideálnej dióde. V prípade reálnej diódy je napäie na ideálnej dióde v hockleyho rovnici definované ako rozdiel napäia na reálnej dióde a úbyku napäia na parazinom sériovom odpore diódy R, eda R. Poom pre prúd diódou plaí vzťah q( R ) s exp 1 kt. q s exp 1 kt s - sauračný prúd minoriných nosičov náboja q - náboj elerónu k - Bolzmannova konšana T eploa v [K] kt/q T - napäie Bolzmanovo T 0,026V ak T300K Poznámka: vedený vzťah pre R plaí za predpokladu / >> 1. Vzhľadom na o, že hodnoa R býva menšia ako 10Ω, reba ho určiť pri akých hodnoách prúdov, kedy nie je jeho vplyv z hľadiska presnosi merania zanedbaeľný. Odporúča sa urobiť meranie pri 1m a čo najvyššom prúde (150m). auračný prúd s vypočíaje z hodnô merania pri 1m. Vzťah na výpoče vychádza zo chockleyho rovnice pre reálnu diódu 1 1 q( 1 R 1) 1 R 1 exp 1 exp kt T 1 ynamický odpor r d je možné odvodiť zo hockleyho rovnice Graficky sa určuje ako smernica doyčnice v pracovnom bode. r d d kt 1 rd. d q aický odpor R s v pracovnom bode je definovaný R s. Prahové napäie -napäie kedy diódou začína iecť prúd môžeme určiť z grafu VH diódy ako prienik doyčnice v pracovnom bode so súradnicovou osou X. K bodu 5: GEN 270 K O Obr chéma zapojenia na zobrazenie charakerisík diód osciloskopom Lubica.uchlikova@suba.sk 23 Y X apoje diódu do obvodu podľa obr. 3,4. Použijeme zobrazenie osciloskopu X-Y. Výchylka X predsavuje napäie na dióde, Y predsavuje prúd diódou. Poznámka: Pre kosrové problémy nie je možné zapojiť osciloskop (X súradnicu) priamo na diódu, meria sa celkové napäie z generáora.

4 K bodu 6: aické meranie: k oočíe diódu (prepolarizujee ju) prevrái sa jej charakerisika. Pri zvyšovaní generáora sa ako prvé objaví prahové v priepusnom smere (i pn dióda 0.6V, i chokyho dióda 0.2V). V závernom smere zisíme prah prierazné v sabilizačných diódach, ak máe dosaočne veľké generáora. ynamické meranie: Posupne zvyšujeme frekvenciu sínusového signálu funkčného generáora a sledujeme deformáciu VH (prekmi prúdu do záporných časí, hyseréziu v priepusnom smere). Odčíaje frekvenciu, pri korej dochádza ku deformácii charakerisiky a nakreslie deformovaný var VH diódy. apoje diódu do obvodu podľa obr voľe ochranný predradný rezisor R P ak aby plailo a 0,7V RP, kde a je ampliúda vsupného napäia a FM maximálny dovolený neopakovaeľný FM nárazový prúd v priepusnom smere. Na napájanie použie funkčný generáor - sínusový priebeh. K vybíjanie GEN O Oa Jednocesný usmerňovač môžeme realizovať prepnuím osciloskopu do režimu s časovou základňou (z obr. 3.4 na obr. 3.5). Prvý kanál zobrazuje sriedavé napäie generáora na vsupe, druhý kanál pulzné alebo usmernené napäie O na zaťažovacom rezisore na výsupe. Pozoruje a popíše časové priebehy napäia na vsupe a výsupe jednoduchého jednocesného usmerňovača pre nízke frekvencie f 50Hz, pre vysoké frekvencie(deformovaný priebeh, komuácia diódy), pri pripojenom filračnom kondenzáore pre nízke i vysoké frekvencie. osciloskopu odčíaje veľkosi ampliúd porebných na určenie fakora filrácie r r, kde je zvlnenie výsupného napäia a je sredná hodnoa usmerneného napäia na výsupe (obr. 3.5). Posup opakuje aspoň pre dva veľkosi vyhladzovacieho kondenzáora. Fakor filrácie r, resp. činieľ zvlnenia sa časo vyjadruje v % r 100.!!!! Vplyv na r má veľkosť f,,. K bodu 7: Pre analýzu v sriedavých obvodoch pri dodržaní podmienky malých ampliúd signálu možno linearizovať charakerisiku diódy a nahradiť diódu v danom js pracovnom bode dvojpólom zloženým z ideálnej diódy, jednosmerného napäťového zdroja s prahovým napäím P a dynamickým odporom diódy v pracovnom bode r d (pozri náhradnú schému diódy sr.83 skripá). Posup riešenia oho ypu príkladu je uvedený v skripách na sr nabíjanie Obr chéma zapojenia na meranie jednoduchého jednocesného usmerňovača a zobrazenie signálov na výsupe. Lubica.uchlikova@suba.sk 24

5 Teória Reálne diódy - var VH charakerisík je ovplyvnený nasledujúcimi javmi: 1. Rekombináciou/generáciou nosičov náboja v oblasi priesorového náboja (OPN) pn priechodu, čo sa prejaví hlavne zvýšením záverného prúdu. auračný prúd možno vyjadriť vzťahom L L n p + s q n p p, kde je plocha priechodu, Ln, 0 0n Lp sú difúzne dĺžky elekrónov a dier, τ n, τ n τ p τ p príslušné časy živoa minoriných elekrónov a dier a n 0p, p 0n minoriné rovnovážne koncenrácie elekrónov a dier v p a n oblasi. 2. ériový odpor R s (odpor konakov, prívodov, oblasí n a p) znižuje efekívne napäie na pn priechode, čoho následkom je nižší prúd ečúci diódou. 3. ilná injekcia sa objavuje pri akých priepusných napäiach, kedy poče injekovaných nosičov začína byť porovnaeľný s koncenráciou majoriných nosičov náboja a spád poenciálu sa rozširuje aj neurálne oblasi. Prúd od oho momenu začína sledovať závislosť exp(q/2kt) 4. Prieraz pn priechodu. Prúd záverne polarizovaného pn priechodu prudko narasá so zvyšujúcim sa napäím. Bežne dochádza k dvom ypom nedešrukívneho prierazu. V prípade lavínového prierazu dochádza k ionizácii kryšálu nosičmi náboja, koré získavajú energiu porebnú na prieraz v silnom elekrickom poli. Pri unelovom (enerovom) prieraze sa nosiče dosávajú do vodivosného pásu unelovaním cez bariéru. Kým eploný koeficien prierazného napäia pri lavínovom prieraze je kladný (sraa energie na epelných kmioch), pri enerovom prieraze je záporný (zužuje sa zakázaný pás). k dôjde k dešrukcii hovoríme o epelnom prieraze. 5. pn priechod sa vyznačuje vlasnou kapaciou, korá má dve zložky. Prvou je kapacia spojená s exisenciou OPN (OPN predsavuje dielekrikum/izolan), a eda reálne sa prejavuje v záverne ale i v priepusne polarizovanom priechode. Prakicky sa využíva len v záverne polarizovanej dióde a v prvom priblížení sa inerpreuje doskovým kondenzáorom s hrúbkou dielekrika zhodnou so šírkou OPN. ruhou zložkou je difúzna kapacia, korá sa objavuje len v prípade priepusne polarizovaného priechodu. Jej exisencia je podmienená difúziou náboja a konečnou veľkosťou času živoa minoriných nosičov náboja. Jednocesný usmerňovač smerňovače sú elekronické zariadenia (sysémy), koré usmerňujú sriedavé napäie na jednosmerné. smerňovače sú používané najmä v napájacích zdrojoch pre elekroniku, v regulovaných pohonoch, v energeike, pri elekrolýze hliníka a podobne. a) O b) 0 i RL L Obr chéma zapojenia jednocesného diódového usmerňovača a časové priebehy vsupného sriedavého napäia, a výsupného pulzujúceho napäia O. Jednocesný usmerňovač pozosáva z jednej diódy zapojenej v sérii so zdrojom sriedavého napäia a zaťažovacím odporom. Na vsup usmerňovača je pripojený zdroj sriedavého napäia. Na výsupe usmerňovača je pripojená odporová záťaž. Princíp činnosi oho usmerňovača spočíva v orezávaní záporných polvĺn vsupného napäia. Preože usmerňujúca dióda je zapojená v sérii so zaťažujúcim odporom, obvod si možno predsaviť ako Lubica.uchlikova@suba.sk 25

6 napäťový delič (obr. 3.6b). Pri kladnej polarizácii vsupného napäia je dióda polarizovaná priepusne a vzniká na nej malý úbyok napäia. Pre kremíkové pn diódy je o približne 0,7 V. Prúd diódou F je veľký, je daný odporom záťaže a preo podľa Ohmovho zákona vyvoláva veľký úbyok napäia na odpore záťaže. jednoduchej úvahy o napäťovom deliči je vsupné napäie rovné súču napäí na dióde a na záťaži O. Výsupné napäie je O 0, 7V. Pri opačnej polarizácii je dióda polarizovaná záverne, akže prúd R je malý, je daný zvyškovým prúdom diódy. Malý prúd cez zaťažovací odpor, podľa Ohmovho zákona, vyvolá malý úbyok záverného napäia O, akže akmer celý úbyok napäia zosane na záverne polarizovanej dióde. Výsupné napäie je akmer nulové. Výsupné napäie je jednosmerné pulzujúce napäie, korého špičková hodnoa je menšia oproi špičkovej hodnoe vsupného napäia o úbyok napäia na dióde (cca 0,7V). Možno ho skonšruovať grafickou meódou pomocou volampérovej charakerisiky diódy a zaťažovacieho odporu obr F P R F ( ) F ( ) T e) b) a) c) B B F O B T d) Obr rčenie časového priebehu prúdu diódou z VH diódy. a) exponenciálna VH diódy, b) lineárna VH zaťažovacieho odporu c) závislosť prúdu od vsupného napäia, d) časový priebeh vsupného napäia e) časový priebeh výsupného napäia. Priebeh výsupného napäia môžee získať ransformáciou vsupného napäia cez krivku c) ak, ako naznačujú body, B a. Poznámka: prakického hľadiska je dôležié si uvedomiť, že sredná hodnoa výsupného napäia (.j. meraná jednosmerným volmerom- predsavuje rovnaké chemické účinky jednosmerného Oa prúdu) je pre jednocesný usmerňovač, kde Oa je ampliúda výsupného napäia π O Oa a 07, V. áverné napäie na dióde, špičkové je a a Too napäie je dôležiým údajom pre správnu voľbu ypu diódy pri návrhu obvodu. Musí oiž plaiť, že najväčšie možné napäie, aké v obvode bude privedené na diódu ( a ) bude menšie než maximálne dovolené opakované záverné napäie diódy RRM udávané výrobcom <. a RRM Filrácia pulzujúceho napäia Jednosmerné pulzujúce napäia získané z usmerňovačov zväčša nie sú použieľné priamo. a usmerňovač sa zaraďuje filer, korý má za úlohu vyhladiť pulzujúce napäie na jednosmerné zvlnené d 0 Lubica.uchlikova@suba.sk 26 0 d J Obr chéma zapojenia filračného kondenzáora za jednocesný usmerňovač

7 napäie. Filrácia je ým efekívnejšia, čím menšie je zvlnenie výsupného napäia. ko filer sa používa kondenzáor väčšej kapaciy pripojený medzi výsup usmerňovača a zem. Filračný kondenzáor je eda pripojený paralelne k záťaži. Princíp filrácie spočíva v dobíjaní filračného kondenzáora cez usmerňovacie diódy ak je napäie zdroja väčšie ako napäie na kondenzáore a následnom vybíjaní kondenzáora cez záťaž, ak napäie zdroja poklesne pod napäie kondenzáora. Podrobnejšie si činnosť filra vysvelíme na filri zapojenom za jednoduchým jednocesným usmerňovačom (obr.3.8). ióda sa ovára, ak napäie zdroja u je väčšie o úbyok napäia na dióde v priepusnom smere (0,7V) oproi napäiu na kondenzáore, eda aj na výsupe O. ez ovorenú diódu ečie prúd, korý sa rozdeľuje na prúd do kondenzáora a prúd do záťaže L + L. ominanným je prúd do kondenzáora, kondenzáor sa dobíja. Po poklese okamžiej hodnoy napäia zdroja pod hodnou napäia na kondenzáore plus 0,7V sa dióda uzavára a prúd diódy sa redukuje na zanedbaeľný zvyškový prúd diódy v závernom smere. Prúd kondenzáorom mení orienáciu a začína iecť do záťaže L preože je nulové. Kondenzáor sa vybíja cez záťaž. Výsupné napäie je jednosmerné zvlnené napäie. a účelom hodnoenie efekívnosi filrovania zavádzame fakor filrácie r, kde je zvlnenie výsupného napäia a je hodnoa usmerneného napäia na výsupe. vlnenie výsupného napäia je menšie a eda aj filrácia účinnejšia ak je súčin kapaciy kondenzáora a odporu záťaže väčší. Rovnako je napäie zvlnenia menšie pri použií dvojcesných usmerňovačov. amoná hodnoa napäia zvlnenia je daná rýchlosťou vybíjania kondenzáora cez záťaž. Rýchlosť vybíjania je daná časovou konšanou τ. Rýchlosť vybíjania je daná časovou konšanou τ. Pre r < 0,1 plaí fr a 1 1. Výsupné usmernené napäie poom bude a L frl 1. 2 apínací nárazový prúd. Pri zapínaní zdroja môže dôjsť k siuácii, že zdroj je pripojený na usmerňovač v momene veľkého okamžiého napäia. Pripojenie plného napäia predsavuje rýchlu zmenu napäia na kondenzáore veľkej kapaciy. Kondenzáor veľkej kapaciy predsavuje pre rýchle zmeny napäia skra a v okamihu pripojenia napäia je nabíjací prúd obmedzovaný len vnúorným odporom diódy. Vzniká veľký nárazový prúd. k je má dióda malý vnúorný odpor a malý dovolený neopakovaný prúd v priepusnom smere FM, môže dôjsť k poškodeniu diódy. Preo sa pred filračný kondenzáor vkladá odpor obmedzujúci nárazový prúd (obr.3.9) Pre dvojcesný mosíkový usmerňovač a 1,4V sa odpor volí s ohľadom na R, kde asec je špičkové napäie na vsupe usmerňovača. FM i i R a) b) Obr a) Naznačenie nárazového prúdu pri zopnuí zdroja s vyznačením možného poškodenia usmerňovacej diódy pri jej nesprávnej dimenzácii. b) Ochranný predradný odpor obmedzujúci nárazový zapínací prúd cez diódy. Lubica.uchlikova@suba.sk 27