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
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.
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, 3.1 3.4, 3.10 (και λυμένα παραδείγματα). Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, κεφάλαιο (και λυμένα παραδείγματα) 1.. Ανόρθωση (με διόδους) 1..1. Ημιανόρθωση V out,p v in (t) = 0 Vrms L V dc Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.3
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 1.3.3. Πλήρης ανόρθωση με γέφυρα Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.4
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 4.1 4.8 (και λυμένα παραδείγματα). Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, κεφάλαιο 4 (και λυμένα παραδείγματα) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.5
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 = 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
1.3.3. 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
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 3.5 3.8, 4.9, 5.5 Α.P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, ενότητες.8,.9,.10 Γερ. Κ. Παγιατάκης: Ηλεκτρονική (βασικά στοιχεία) 1.8