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 για τις διόδους πυριτίου, 0,2 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 ( S ) υπερβαίνει την τάση του φράγματος δυναμικού (δηλαδή όταν S > K ). Για τον λόγο αυτόν, το φράγμα δυναμικού χαρακτηρίζεται και ως «τάση κατωφλίου» 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 D στα άκρα της διόδου. Η ακριβής μορφή της υπόψη σχέσης είναι Ι D = I o (e q 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 D = K ( 0,7 για το Si και 0,2 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
r B = d di D D (σε Ω) και αποτελεί την πραγματική ωμική αντίσταση της διόδου. Για τη δίοδο, ορίζεται, επίσης, η DC αντίσταση D R 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 = D K. rβ Σε κατάσταση ανάστροφης πόλωσης, η δίοδος έχει υψηλή αντίσταση σώματος rb (της τάξης των kω) και συμπεριφέρεται ως μονωτής ( ΙD 0). Όταν η ανάστροφη τάση υπερβεί μια χαρακτηριστική τιμή Z (τάση διάσπασης) η δίοδος (αν και ανάστροφα πολωμένη) αρχίζει να διαρέεται από ανεξέλεγκτα αυξανόμενο ρεύμα ΙΖ και, τελικά, καταστρέφεται. R S Ι D = ( D Κ )/r B I D (ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο) S + D Ι D ανάστροφη πόλωση Z K ορθή πόλωση 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) S D Ι D = R S Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.2
I D (ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο) Ι D = ( D Κ )/r B ορθή πόλωση ανάστροφη πόλωση Z K ευθεία φορτίου (νόμος Ohm) Ι D = ( S D )/R S D (τάση στα άκρα της διόδου) Επισημαίνονται τα εξής: Συχνά, στην επίλυση κυκλωμάτων με διόδους, θεωρείται ότι r B 0 (2 η προσέγγιση). Αυτό σημαίνει ότι η χαρακτηριστική της διόδου είναι κατακόρυφη για 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 25m με μια ωμική αντίσταση r AC (όπου ID το DC ρεύμα και 25m συντελεστής που Ι D ισχύει για θερμοκρασία δωματίου). Η αντίσταση αυτή είναι, συνήθως πολύ μικρή, γι αυτό και αμελείται. Α.P. Malvino, Ηλεκτρονική, ενότητες 2.4 2.11, 3.1 3.4, 3.10 (και λυμένα παραδείγματα). Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, κεφάλαιο 2 (και λυμένα παραδείγματα) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.3
1.2. Ανόρθωση (με διόδους) 1.2.1. Ημιανόρθωση out,p v in (t) = 220 rms DC Tάση δευτερεύοντος μετασχηματιστή: 2,rms = in, rms n 2,p = in,p 2 Tάση στην έξοδο της διόδου (peak θετική ημιπερίοδος): DIODE,out,p = 2,p κ = 2,p 0,7 DIODE,out, p Μέση τιμή ανορθωμένης (DC) τάσης εξόδου: DC = = 0,318 2,p π Μέγιστη ανάστροφη τάση (Peak Inverse oltage PI): PI = 2,p Μέση τιμή ρεύματος εξόδου: DC I DC = Ρεύμα διόδου: I DIODE = I DC Συχνότητα σήματος εξόδου: f out = f in Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.4
1.2.2. Πλήρης ανόρθωση με μεσαία λήψη σε μετασχηματιστή out,p v in (t) = 220 rms v 2,half (t) dc Tάση δευτερεύοντος μετασχηματιστή: 2,rms = in, rms n 2,p = in,p 2 Tάση μεσαίας λήψης (peak): 2,half,p = Μέση τιμή ανορθωμένης (DC) τάσης εξόδου: DC = Μέγιστη ανάστροφη τάση (Peak Inverse oltage PI): PI = 2,p 2 2, p π 2 2,half, p = 0,636 2,p DC Μέση τιμή ρεύματος εξόδου: I DC = I Ρεύμα διόδου: I DIODE = DC 2 Συχνότητα σήματος εξόδου: f out = 2.f in Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.5
1.3.3. Πλήρης ανόρθωση με γέφυρα Χωρίς εξομάλυση κυματομορφής εξόδου ~ out,p v in (t) = 220 rms + 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 RIPPLE v in (t) = 220 rms C DC I DC = I RIPPLE = DC fc DC = out,p RIPPLE 2 Α.P. Malvino, Ηλεκτρονική, ενότητες 4.1 4.8 (και λυμένα παραδείγματα). Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, κεφάλαιο 4 (και λυμένα παραδείγματα) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.6
1.3. Δίοδοι για ειδικές χρήσεις 1.3.1. 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 = in R S K,LED H τιμή της κ,led δίνεται από τον κατασκευαστή (όταν δεν είναι διαθέσιμη μπορεί να θεωρηθεί Κ,LED 2 ). Αντιπροσωπευτικές δίοδοι: TIL221, TIL222 Α.P. Malvino, Ηλεκτρονική, ενότητα 5.8 (και λυμένα παραδείγματα). Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, ενότητα 3.1 (και παράδειγμα 3.1) 1.3.2. 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 Range): TR = Όταν μια varactor είναι στοιχείο κυκλώματος L-C, ισχύουν οι σχέσεις: 1 Συχνότητα συντονισμού κυκλώματος L-C: f o = 2π LC 1 Περιοχή ρύθμισης συχνότητας συντονισμού: f o,min = 2π f o,max = 2π 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) 1.7
1.3.3. Δίοδοι Zener Οι δίοδοι αυτές λειτουργούν (ανάστροφα πολωμένες) στην τάση διάσπασης Z (είναι ειδικά κατασκευασμένες για να μην καταστρέφονται όταν υπόκεινται στη συγκεκριμένη τάση). Η βασική τους χρήση είναι ως στοιχεία σταθεροποίησης τάσης. R S Ι Ζ Ι L S Ι S I S = I L = S R Z L R S Z I Z = I S I L P Z,max = I Z,max Z H τιμή της 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, ενότητες 3.4, 3.5 (και παραδείγματα 3.5 έως και 3.12) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.8
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 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 3.5 3.8, 4.9, 5.5. Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, ενότητες 2.8, 2.9, 2.10 Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.9