2. Fejezet. A dióda működése, helyettesítő képei

A dióda szó a „di-ode” gö-rög kifejezésből ered, melynek je-lentése két út. Az elnevezés a dió-daműködésre utal: az eszköz ugyanis csak az egyik irányban ve-zeti az áramot, hasonlóan a me-chanikus visszacsapó szelephez.

Az elektroncsöves dióda működésének lényegét Frederick Guthrie fe-dezte fel 1873-ban. Később Thomas Edison majd J. Ambrose Fleming is foglalkozott a szerkezet működésével, amit elektroncsöves diódaként végül 1904-ben szabadalmaztattak.

Később, a századfordulón az elektron-csövek virágkora a félvezető struktúrák meg-jelenésével hanyatlani kezdett, de ezek az esz-közök mind a mai napig megtalálhatók high-end média eszközök, valamint katonai berendezé-sek részeként is – tekintve, hogy az elektro-mágneses sugárzásra kevésbé érzékenyek.

A félvezető diódák ősei a kopásra és porra igen érzékeny ún. tűs detektorok voltak, melyekben a forrasztott vagy rugóval kénysze-rített fém-félvezető érintkezés biztosította a p-n átmenet megjelenését. Mai utódjukként a tűs diódák említhetők.

Később a p-n átmenetet a félvezető szerkezeten belül ala-kították ki, úgy, hogy az alapkris-tály két szélét a szennyezéssel együtt hevítették, mire annak atomjai a hő hatására termikus diffúzióval beépültek a kristály-szerkezetbe, létrehozva a kívánt

mértékű szennyezést. A mai napig népszerű eljárás előnye a tűs megoldásokkal szemben, hogy a p-n átmenet nem pontszerű és nem tar-talmaz illesztési hibákat sem. Ennek köszön-hetően nagy áramok elviselését (több amper) is lehetővé teszi. Hátránya a sebesség terén említhető a tűs és az elektroncsöves diódákkal szemben, melyek azonban csak alacsony ára-mokat (~1-10mA) képesek vezetni és nagy fe-szültségek alkalmazását is megkívánják.

2 Dióda

Amiről szó lesz

Miután megtanulta ezt a fejezetet, képesnek kell lennie

2.1. Diódaműködés - Nyitás (vezetés) - Zárás - Átütés

2.2. Jellemzők - Általános rajzjel, karakterisztika - Diódaegyenlet, dinamikus ellenállás

2.3. Helyettesítő képek - Nagyjelű, ideális - Nagyjelű, általános, - Nagyjelű, üzemi, - Kisjelű helyettesítő kép

11

2.1. Diódaműködés

A diódát egyetlen, az előzőekben be-mutatott p-n átmenet alkotja.

Vizsgáljuk meg, mi történik, ha p-tí-pusú oldalra pozitív, az n-típusúra pedig nega-tív feszültséget kötünk!

A külső tér az ellentétes irányú belső (beépített) potenciálra szuperponálódik, foko-zatosan elnyomva, majd kioltva azt. A töltött atomtörzsek hatása eltűnik, a töltéshordozók ismét az ellentétes oldalra képesek sodródni. A rekombinálódó töltéshordozókat mindkét oldalon a feszültséget szolgáltató külső forrás pótolja (emlékezzünk, a lyuk valójában „elekt-ron hiány” azaz pozitív töltés).

A kiürítési réteg teljes eltűnése Ge ese-tén 0.3-0.4 V, Si esetén 0.65-0.7 V mellett kö-vetkezik be, amit a dióda nyitófeszültségé-nek nevezünk.

A dióda nyitásakor a szabad elektro-nok és lyukak akadálytalanul haladnak a p-n át-menet felé ahol találkozva folyamatos rekom-bináció jön létre. Ez megfelel az elektronok egyirányú elmozdulásának, azaz az áram meg-jelenésének a kristályban.

A dióda ebben az állapotban vezet, a rákötött feszültséget pedig polaritására tekintettel nyi-

tóirányúnak nevezzük.

15. A vezetés kialakulása.

A vezetés a folyamatos rekombináción keresztül termikus energia felszabadulását is eredményezi, ami az elektronok mozgékonyságát tovább növeli. Az öngerjesztő folyamat a dióda vezetőképessé-gét és áramát hatványozva növeli, aminek a dióda károsodása vet véget. Legegyszerűbben úgy te-kinthetjük, hogy ha a dióda vezet, jó közelítés-sel rövidzárként viselkedik. Emiatt minden di-ódát tartalmazó kapcsolás esetén gondoskodni kell megfelelő áramkorlátozó eszközökről, me-lyek a dióda áramát az adatlapon feltüntetett biz-tonságos határérték alatt tartják. Ilyen lehet pl. a soros ellenállás, vagy a már eleve áramgenerátoros táplálás. Az adatlapokon a maximális áramértéke-ket impulzusszerű és folyamatos üzem esetén is meg szokta adni a gyártó. Ne keverjük össze!

A fejezet néhány fontosabb új fogalma

Dióda karakterisztika. A dióda áramának alakulását mu-tatja a rajta eső feszültség függvényében.

Nyitófeszültség. Az a feszültség, amely felett a diódán lé-nyeges áram folyik (ez Si diódákra ált. 0.7 V).

Zener-feszültség. A dióda záróirányú átütését meg-előző feszültségszint.

Munkapont. A dióda általunk megválasztott egyen-áramú üzemi állapota (feszültsége és árama).

Nagyjelű (egyenáramú) helyettesítő kép. A dióda olyan egyszerűsítő modellje, mely a munkaponti értékek meghatá-rozását könnyíti meg.

Kisjelű (váltakozó áramú) helyettesítő kép. A di-óda olyan egyszerűsítő modellje, mely a dióda feszültség-áram összefüggését írja le a munkapontban, kis megválto-zások esetére.

Dinamikus ellenállás. Egy adott munkapontban a dióda kis megváltozásokra tekintett feszültség-áram összefüggé-séből származtatott ellenállásérték (nem keverendő össze a dióda aktuális ellenállásával, ami a választott munka-pontból adódik.

Minden esetben referenciaszint kérdése hogy mi számít pozitív- ill. negatív feszültségnek. A tárgya-lásban az egyszerűség kedvéért alkalmazunk ellenté-tes értelmű potenciálokat. Valójában a „negatív” és „pozitív” jelzőket a „negatívabb” és „pozitívabb” értelemben használjuk. (Eltérő nagyságú pozitív fe-szültségek esetén a kisebb negatívabbnak számít a nagyobbhoz képest.)

12

Most vizsgáljuk meg, azt az esetet, amikor az akceptor oldalra negatív, a donorra pedig pozitív (a diódára nézve záró irányú) feszültséget kapcsolunk!

Ekkor a már eleve negatív tértöltést még negatívabbá, a pozitívat pedig még pozi-tívabbá tesszük a kiürítési réteg két oldalán. Eredményül a lyukak és az elektronok még ke-vésbé lesznek képesek a rekombinációs zóna közelébe jutni. A kiürítési réteg tehát kiszéle-sedik, áram nem folyik, a dióda lezár.

16. A dióda zárása. A belső teret erősítő külső tér az egyes felek

töltéshordozóit nem engedi a rekombinációs zóna közelébe.

Ha a dióda zárófeszültségét tovább növeljük, egy másik érdekes jelenségnek lehe-tünk tanúi.

Abszolút nulla fok felett (-273.13 C°) az anyagot alkotó atomok rezegnek (ez a hő egyik értelmezése) és ezen keresztül egymással is kölcsön hatnak. A közölt energia képes lehet a vegyértéksávból elektront kiszakítani, ahol ennek megfelelően lyuk is keletkezik (spontán

párkeltés). Mivel ezek a töltéshordozók keletke-

zésükkor közel vannak egymáshoz, nagy való-színűséggel azonnal rekombinálódnak is, így végeredményben az anyag ilyen jellegű „belső forrongása” normál esetben nem érzékelhető. Nagyobb záró irányú (külső) potenciálkülönb-ség a keletkezett párt képes eltávolítani egy-mástól és az elektront gyorsítja a pozitív-, a lyukat pedig a negatív térfél irányába. Mivel a kiürítési zónában normál esetben nincsenek töltéshordozók, a rekombináció ritka, csak csekély mértékű záró irányú (szivárgási) ára-

mot jelenít meg. Ezt Zener-effektusnak ne-vezzük.

Jelentősége akkor kiemelkedő, ha a di-ódát záró irányban használjuk és az elrendezés érzékeny a diódaáram nulla szintjére (fotodió-dás alkalmazások) vagy a működés extrém kö-rülmények között valósul meg.

17. Ábra. A szivárgási áram a zárófeszültség függvényében. Az értékek emellett kb. 10CO-onként meg is duplázódhatnak (!).

Ha a zárófeszültség elegendően nagy, a töltéshordozók gyorsulva már rövid távon is akkora (sebességre) energiára tehetnek szert, hogy a rácsot alkotó atomokkal ütközve újabb párokat kelthetnek. Azok hasonlóan újabba-kat, és még újabbakat hozhatnak létre. A töl-téshordozók növekvő koncentrációja a re-kombinációk gyakoriságát is és ezzel a kristály hőmérsékletét is emeli, amely a vezetési jelen-ségeknek még inkább kedvez.

A Zener-effektus ilyen jellegű megfu-tását lavina-effektusnak nevezzük. Ennek során az áram korlátok nélkül növekszik, a di-óda felmelegszik, átüt. Azt a potenciálkülönb-séget, amelynél ez bekövetkezik, átütési fe-szültségnek nevezzük. A dióda ekkor a nyitó-irányhoz (normál működéshez) képest ellenté-tesen vezeti az áramot, ami rövid időn belül károsodást okoz.

Fejlesztettek olyan diódatípusokat is (pl. Zener-diódák, vagy az alagútdiódák), me-lyek éppen ebben a tartományban üzemeltet-hetők rendeltetésszerűen (nyitóirányban nor-mál diódaként viselkednek). Természetesen ilyenkor is szükséges a fellépő áram korláto-zása, amit a megfelelő kapcsolás kialakítása biztosít.

13

2.2. Jellemzők

A dióda viselkedése tehát polaritás-függő, a helytelen kapcsolás, túlfeszültség a dióda károsodását okozhatja. Általános rajzje-lét ezért igen szemléletesre választották:

A háromszög felőli kivezetés (itt balra) az anód, a jobb oldali vég pedig a katód. A dióda akkor van nyitóirányban, ha az anódja pozitívabb, mint a katódja, ellenkező esetben a dióda záróirányú feszültséget (záróirányú előfeszítést) kap. Jelentősebb vezetési jelen-séget akkor tapasztalunk, ha a nyitóirányú fe-szültség meghaladja a nyitófeszültséget.

A rajzjel nyíl alakú része mutatja a nyi-tóirányú áram egyetlen lehetséges irányát, a rajz alapját szolgáló vízszintes vonal pedig az ugyanekkor fellépő rövidzárat szimbolizálja.

Láttuk, hogy a dióda árama miként függ a külső feszültség nagyságától és előjelé-től. A két mennyiség kapcsolata - az I(U)-ka-rakterisztika - feszültségméréssel könnyen felvehető az alábbi kapcsolás segítségével:

19. Egy, a karakterisztika felvételére alkalmas kapcsolás. R ismert, kis értékű ellenállás (pl. 1 kΩ), Ug -t mi állítjuk. Mérjük Ug -t (V1), UR -t (V2), amiből a dióda árama I=UR/R; feszültsége U= Ug-UR.

A dióda áramának ábrázolása feszült-ségének függvényében a dióda-karakterisz-tika, melyben több nevezetes tartományt is ér-demes azonosítani:

20. A dióda karakterisztika fontosabb tartományai.

A nyitási tartomány (1), az, ahol a di-óda egy bizonyos nyitóirányú feszültséget meghaladva kinyit. Látható, hogy valójában bármekkora pozitív feszültség áram megjele-nésével jár, s melynek mértéke exponenciális jelleggel nő a nagyobb feszültségek felé.

A görbe felfutó részét szokás első rendben egy egyenessel közelíteni, melynek metszéspontját a vízszintes tengellyel nevez-zük nyitófeszültségnek (UON, tipikus értéke 0.6-0.7V, de pl. LED-eknél ez 2-3 V is lehet.).

Mivel jelentős áram a nyitófeszültséget átlépve jelenik meg a diódán, ezt azonosítjuk a nyitási tartomány kezdetének is.

A lezárási tartományban (2) a dió-dán nem folyik jelentősebb áram, jó közelítés-sel ebben az állapotban legtöbbször szakadás-nak tekinthető.

A letörési tartományban (3) a lavina effektus érvényesül, melynek hatására a görbe hirtelen, nagy meredekséggel „letörik”. Ezt a meredek változást ismét egyenessel közelítve definiálható a letörési feszültség vagy más néven Zener-feszültség (UZ).

Az alkalmazások többségében a dióda nyitási tartománya, pontosabban a karakte-risztika görbéjének pozitív feszültségekre fel-vett értékei lényegesek, mert lezárt esetben (feltéve, hogy nem a letörési tartományban működik) a dióda szakadásnak tekinthető.

Ug V1 UR R V2

18. ábra. A dióda általános rajzjele.

Azért nem közvetlenül a diódán mérjük a feszültsé-get, mert a lezárás környékén ellenállása (~szakadás) összemérhetővé válna a vele párhuzamosan kötött mérőműszer (végtelennek tekintett, de valójában na-gyon is véges) ellenállásával. Ekkor a mérés elvi hi-bájaként a dióda helyén valódi ellenállásának a fele venne részt az áramkörben. Mivel R ehhez képest szinte elhanyagolható, az okozott hiba sem jelentős, de a műszaki életben a kevesebb hibaforrást tartal-mazó elrendezésekre célszerű törekedni.

14

21. Egy infravörös LED tipikus nyitó irányú karakterisztikája. Figyeljük meg, hogy 1V alatt az áram jelentéktelen, aztán alig

0.2 V-nyi tartományon belül eléri a maximumot! Ez a kapcsoló-szerű viselkedés a diódák egyik legfontosabb jellegzetessége!

A tapasztalatok szerint nyitóirányú el-feszítés esetén a görbe jól közelíthető az alábbi diódaegyenlettel:

= ∙ − 1

ahol Id – a dióda árama, IS – a szaturációs áram, rendkívül kis értékű mennyiség, valójá-ban a képlet dimenziójának helyességét bizto-sítja; Ud – a dióda feszültsége; UT – a termikus feszültség, melynek értéke a statisztikus fizika elméleti eredményei alapján UT = 26 mV.

A karakterisztika tehát a dióda függvényét ábrázolja, melyet nyitóirányú elő-feszítés esetére a diódaegyenlettel közelíthe-tünk, mely exponenciális jellegű. Ám, mint minden folytonos függvény, ez is közelíthető egy adott pontjának végtelenül kis környezeté-ben lineáris függvénymenettel, melyet épp a derivált (meredekség, m) azonosít a kérdéses pontban:

≈ ∆∆ ő 1

[Ω] azaz a meredekség reciproka ellenállás dimen-ziójú az Ohm-törvény alapján.

22. Egy adott pont kis környezetének meredekségét jellemző fe-szültség- és áramdifferenciák.

Mivel a görbe meredeksége (∆ ∆⁄ s annak reciproka is a görbe minden pontján más és más értékű, ez utóbbi mennyiséget, di-namikus ellenállásnak "# nevezzük. Bő-vebbet a diódaegyenlet vizsgálatával fogal-mazhatunk meg:

"# = 1 = $ %

%&'( = ∙ ∙ 1)

'(≈

≈ ∙ − 1 ∙ 1)

'(=

= $ )&'( = *+,

azaz a dinamikus ellenállás egyenlő a termikus feszültség osztva a diódára egy adott állapot-ban jellemző árammal. Könnyen látható, hogy a nyitási görbe exponenciális jellege az alacso-nyabb áramoknál nagyobb, nagyobb áramok-nál kisebb dinamikus ellenállást jelenít meg a görbe mentén.

A képletben az „1” azt biztosítja, hogy nulla feszült-ség mellett a függvény ne jelenítsen meg áramot. Gyakran el is hagyják, mert az okozott hiba jelen-téktelen. A diódán eső feszültség üzem közben Ud>UON~0.6V, így az exponenciális tag kitevőjé-nek értéke >20. Mivel „e” értéke 2.81, a hatványtag ~2.8120-ra adódik. Ez igen nagy szám. Kivonunk egyet belőle vagy sem, nem változtat lényegesen az eredményen. (Ha elhagyjuk, nulla feszültség esetén is egy igen kis értékű áramot veszünk figyelembe). Fontos, hogy a dinamikus ellenállás "# nem a di-

óda aktuális feszültségének és áramának hányadosa, az ugyanis a dióda aktuális üzemállapotában megje-lenített ellenállását jelenti. A dinamikus ellenállás arra mutat rá, hogy a kérdéses üzemállapotban a fe-szültség végtelenül (vagy elegendően) kicsiny meg-változására az áram adott mértékű – szintén elemi, lineárisnak tekintett – megváltozása következik be, azaz valamely adott üzemállapot lokálisan kis meg-változását lineárisan jellemzi.

A továbbiakban a diódák általános célú alkalmazá-sait tartjuk szem előtt, feltéve, hogy a kapcsolást ±30CO között és kevesebb, mint 100V záróirányú feszültség mellett használjuk. A szivárgási áram ilyenkor többnyire <1 µA, kevesebb, mint a szok-ványos legkisebb üzemi áram ezredrésze. Emiatt a következőkben elhanyagoljuk.

15

2.3. Helyettesítő képek

Azt az üzemi állapotot (pontosabban az ezt jellemző Ud0, Id0 párt), ahol a dióda a célalkalmazás általunk választott feltételeinek megfelelő egyenáramú működése valósul meg, munkapontnak (M) nevezzük.

23. Munkapont (M) és egyenáramú paraméterei (Ud0, Id0).

A diódához fűződő feladatok nagy ré-sze a megfelelő munkapont helyes megválasz-tásával és az azt kialakító kapcsolás megvaló-sításával, vizsgálatával foglalkozik. Látni fogjuk, hogy eddigi ismereteink-kel már a legegyszerűbb kapcsolás elemzése estén is komoly problémákba ütközünk. Te-kintsük az alábbi kapcsolást:

24. Feszültség- és áramirányok, valamint a körüljárási irány felvé-tele a Kirchhoff-egyenletekhez. (Az áramkör potenciálviszonyait színekkel is hangsúlyoztuk: piros a legpozitívabb, kék a legnegatí-vabb sarok.)

A diódára megfelelő polaritással, is-mert feszültségű generátort (Ug) kötünk. Mivel az anód pozitívabb, mint a katód, a dióda nyi-tóirányú feszültséget (Ud0) kap. Áramának korlátozására sorosan egy ún. előtét vagy sönt ellenállást (R) helyeztünk be. E nélkül a táp-feszültség a dióda nyitásakor, azon keresztül gyakorlatilag rövidre záródna, ami az alkatré-szek károsodásához vezetne.

Tegyük fel, hogy adott tápfeszültség mellett kellene kiszámítanunk az áramot az áramkörben! Felírva a Kirchhoff hurokegyen-letet, szembesülünk a probléma bonyolultsá-gával: a dióda feszültsége ugyan kifejezhető a diódaárammal a diódaegyenlet alapján (így csak egy ismeretlenünk marad), ám a kapott egyenlet nemlineáris volta miatt leginkább csak a numerikus matematika módszereivel kezelhető (pl. fixpont kontrakció).

Sokkal egyszerűbb és szemléletesebb technikát jelent az ún. helyettesítő képek be-vezetése, melyek a dióda eredetileg folytonos, exponenciális modelljét szakaszos, legfeljebb lineáris modellel helyettesíti.

Ideális helyettesítő kép. A legegyszerűbb, de egyben legelna-gyoltabb helyettesítő kép, mely a diódát nyitó-feszültség nélküli, kapcsolóüzemű eszközként ábrázolja: nyitó irányú előfeszítésre rövidzár, záró irányúra szakadás.

Az erős közelítés miatt a modellt csak közelítő (tájékozódó) számolásokhoz használ-hatjuk, de szemléletes és jól használható kap-csolások működésének elemzésekor (mikor nem lényeges a „mennyire”, csak a „hogyan”). Példa. Ha ismert, hogy a dióda milyen maximális áramot (Imax) képes elviselni, a biz-tonságos üzemeltetéshez szükséges legkisebb ellenállásértékre viszonylag egyszerű közelítést tehetünk: úgy számolunk, mintha a dióda nyi-tásakor az rövidzárrá válna és a tápfeszültség teljes egészében az ellenálláson esne, azaz:

Rmin=Ugmax/Imax.

A számolásban a diódára ideális he-lyettesítő képeként gondoltunk, hogy egy kö-zelítő biztonsági korlátot szabjunk az ellenál-lás értékére. Ez biztosítja, hogy az alkatrész ne

25. A dióda ideális helyettesítő képének rajzjele és karakteriszti-kája. Szürkével a valós dióda karakterisztikáját ábrázoltuk.

id

I

U

16

menjen tönkre, de a valóságban megvalósuló üzemállapotot messze nem jellemzi.

Általános helyettesítő kép. Láttuk, hogy a dióda vezetése csak szűk feszültségtartomá-nyon belül valósul meg, ez a szilíciumdiódák-nál 0.6..0.8 V. A nyitófeszültséget 0.7 V-ra vá-lasztva a dióda már aktív üzemállapotát jelöl-jük ki határvonalként: alatta szakadásként, fe-lette rövidzárként tekintünk az eszközre. Az ennek megfelelő helyettesítő kép tehát annyi-val tér el az ideális helyettesítő képtől, hogy ah-hoz hozzáveszi a nyitófeszültséget is.

26. A dióda általános helyettesítő képe és karakterisztikája. Álta-lános helyzetű munkapontot feltételezve megfigyelhető a valós- (M) és a helyettesítő képpel számítható (M’) munkapontok elté-

rése. Szürkével a valós dióda karakterisztikáját ábrázoltuk.

A generátor jelentése teljesen képies (önmagá-ban nem hozhat létre áramot, mert nem egy valódi generátorról van szó). Feszültségének mérőiránya a diódán nyitóirányban eső fe-szültségével azonos, hiszen a képben a katód olyan potenciálját állítja elő, melyet a külső fe-szültségnek meg kell haladnia ahhoz, hogy az ideális dióda kinyithasson.

27. Az általános helyettesítő kép használata: a valós diódát a he-lyettesítő képére cseréljük, és azzal számolunk tovább.

Fontos megemlíteni, hogy a valójában nem igaz az, hogy a dióda tökéletes szakadás a helyettesítő képben használt nyitófeszültség alatt, mint ahogy az sem, hogy az általunk be-állítandó áramot a nyitófeszültségen veszi fel az eszköz. Mindazonáltal, mivel a karakterisz-tika igencsak kapcsolószerű, egy jól megvá-

lasztott nyitófeszültség értékkel a modell mé-retezésre alkalmas – ha épp a kapcsolószerű működés beállítása kívánatos, de egészen pon-tosan nem lényeges a diódaáram nagysága. Megjegyzés. Egyenáramú vizsgálatot ak-kor végezhetünk, ha a helyettesítő képbe raj-zolt ideális dióda nyitva van, ezt a vizsgálatok-nál hallgatólagosan feltételezzük.

Példa. A fentebb már bemutatott inf-ravörös LED karakterisztikája szerint annak nyitófeszültsége 1.1 V körül van. Készítsünk egy nyomógombos kapcsolást, melyben a gomb megnyomásával a LED-et fény kibocsá-tására késztethetjük! Az áramkörhöz egy újra-tölthető, 3.6 V-os LiFePo4-es akkumulátort használunk. Az áramkör elvi rajza:

28. Egy egyszerű LED-es kapcsolás nyomógombbal.

Az általános helyettesítő képet a LED helyére rajzolva és felvéve arra a Kirchhoff-hurokegyenletet kapjuk, hogy:

∙ -( + /0 − 1 = 0

Biztonsági korlátként Idmax-ot alkalmazva:

-0 = 1 − /03

A karakterisztikáról jól látható hogy a maxi-mális áram az 5mm-es LED-eknél szokásos 20 mA körül van, azaz Rmin=125 Ω. Az eszköz az elvárt módon fog működni, de a munka-pont mibenlétére nehéz következtetéseket tenni. Éppen LED-ek esetén például lénye-ges lehet a munkapont helyzete. Ha közel van a nyitófeszültséghez, épp csak dereng, a maxi-mális áram közelében pedig már sokkal inkább melegszik, mint világít az eszköz (folytonos üzemet feltételezve).

A munkapont még pontosabb, konk-rét használatához az általános helyettesítő kép egy további kiegészítésével jutunk.

U UON

I

id

UON

M M’

17

Üzemi helyettesítő kép. Az előző modell pontosabbá tehető, ha ismert a kívánt munka-pontot jellemző dinamikus ellenállás (ez a megválasztott diódaáramból is számolható!):

29. A dióda üzemi helyettesítő képe és karakterisztikája. A valódi (M) és számolt (M’) munkapont a görbe felső szakaszán meg-

egyezik, jelentősebb eltérés csak a záráshoz közel tapasztalható..

Nézzük, hogyan működik ez a modell! Az alábbi helyettesítést elvégezve, majd arra fel-írva a Kirchhoff-hurokegyenletet:

30. Az üzemi helyettesítő kép használata: a valós diódát a helyet-tesítő képére cseréljük, és azzal számolunk tovább.

∙ -( + /0 + ∙ 4566676668

9:;∆− 1 = 0

Kapható, mely eléggé hasonló az általános he-lyettesítő képnél nyert összefüggéshez, úgy is felfoghatjuk, hogy a korábbi nyitófeszültség helyett annak a munkapontra korrigált értéké-vel dolgozunk:

31. A munkaponti feszültség előállítása az üzemi helyettesítő

képben

Világos, hogy a képletben és az ábrán szereplő ∆U mennyiség ugyanazt a feszültsé-get jelöli: az ábra M munkapontjának mere-deksége jó közelítéssel ∆I/∆U, azaz Id/∆U. Tudjuk, hogy a meredekség reciproka a dina-mikus ellenállással azonos, azaz ∆U/Id=rd, amiből ∆U= Id⋅ rd. Mivel ez rögzített értékű dinamikus ellenállást feltételezve a diódaáram lineáris függvénye, a modell karakterisztikája a nyitófeszültségig nulla, majd onnan a munka-ponton áthaladó egyenes értékeivel ábrázol-ható.

Az előző három egyenáramú helyette-sítő képet a nagyjelű helyettesítő képek közé soroljuk, mert a jelkezelés során fellépő változások általában a munkaponti feszültség-áram értékeknél kisebbek. Kisjelű (váltakozó áram) helyettesítő kép A dióda egyenáramú helyettesítő képe az egyenáramú munkaponti paraméterek meg-határozására alkalmas, arra a kérdésre vála-szolva, hogy az általunk várt működéshez a di-ódán mekkora egyenfeszültségnek kell esnie és mekkora egyenáramnak kell folynia (egy ki-szemelt statikus állapot eléréséhez milyen időfüggetlen elektromos mennyiségek szüksé-gesek). Tegyük fel, hogy egy eredetileg egyen-áramú tápfeszültség (Ug), ami egy munkapon-tot állít be, most mégsem állandó (Ug’), tartal-maz valamilyen kis amplitúdójú váltakozó jelet (ug). Például az eredetileg stabil 5V most 4.5-5.5V között ingadozik. Ez a viselkedés természetesen az áramkör valamennyi mennyiségére hatást gya-korol (Ud’, UR’, Id’), hiszen úgy is tekinthetjük, hogy időpillanatonként szemlélve más és más egyenfeszültségű tápot lát a hálózat.

32. A munkaponti és váltakozó áramú mennyiségek felvétele.

U UON

I id

UON

M M’

rd Id

Ug’=Ug+ug

Id’

R UR’

Ud’

18

Fontos, hogy az egyes mennyiségek a szuperpozíció elve alapján két függetlenül tár-gyalható feszültségforrásból származó járulék-ként jelennek meg: az eredeti konstans (mun-kaponti) érték és az erre additívan „ülő” válta-kozó rész (Ud’= Ud0+ ud, UR’= UR0+ uR, Id’= Id0+ id).

33. A szuperpozíció elve alapján a kérdéses mennyiség egyen-

áramú- és váltakozó komponensei független források járulékai-

ként tekinthetők.

A későbbiekben is jelentékeny lesz, hogy a dióda egy statikus állapota körül ho-gyan viselkedik ezzel az időfüggő komponens-sel szemben. Ezt legkönnyebben a váltakozó áramú helyettesítő kép segítségével vizsgál-hatjuk meg. Mivel a váltakozó rész nagysága több-nyire kisebb, mint a munkaponti mennyiségek, szokás ezt a képet kisjelű helyettesítő kép-nek, az ezzel végezhető számításokat pedig kisjelű vizsgálatnak is nevezni. (Hasonlóan az egyenáramú analízist is említhetjük nagy-jelű vizsgálatként, a felhasznált közelítést pe-dig nagyjelű helyettesítő képként.) Kisjelű helyettesítésnél az eredeti kap-csolást úgy rajzoljuk át, hogy benne csak a vál-takozó mennyiségek, az áramköri elemek he-lyett pedig azok kisjelű helyettesítő képei sze-repeljenek (pl. elég nagy kapacitású kondenzá-tor helyett rövidzár rajzolható). A kapott kap-csolást már a szokásos módszerekkel kiérté-kelhetjük, azt szem előtt tartva, hogy eredmé-nyeink is csak a váltakozó jellegű mennyisé-gekre vonatkoznak.

Korábban rámutattunk, hogy a mun-kapont elegendően szűk környezetét lineári-san közelítve az áram- és a feszültségdifferen-ciák (a váltakozó komponens árama- és fe-szültsége) között a dinamikus ellenállás te-remt kapcsolatot. Ez egyben a dióda válta-kozó áramú helyettesítő képe is.

34. A fentebbi kapcsolás kisjelű helyettesítése. A generátor a vál-

takozó komponenst reprezentálja csak, a diódát a dinamikus el-

lenállás váltja fel, az ellenállás nem változik (árama és feszültsége

között az Ohm törvény teljesül váltakozó áramú esetben is).

A dióda munkapontjában fellépő fe-szültségingadozás magát a munkapontot moz-gatja a görbén az eredetileg beállított hely kö-rül.

35. A váltakozó komponens tulajdonképpen a munkapontot moz-

gatja a görbén.

Ha ezt körültekintően választjuk meg, elérhető, hogy a munkaponti jellemzők kap-csolata nagyobb tartományon is közelítőleg li-neáris maradjon. Ilyenkor a munkapontot a görbe felfutó, minél egyenesebb részére cél-szerű választani, a lehető legnagyobb szim-metrikus mozgástérrel, úgy, hogy a környezet minden pontja a biztonságos üzemeltetés ha-tárain belül maradjon (Pl. optikai analóg jeladó esetén, a torzítás ekkor lesz minimális).

ug

id

R uR’

ud

rd