diode 22222

18

Семинарски рад Диоде

Диоде

Диода је електронска компонента која дозвољава проток електричне струје у једном смеру без отпора( или уз веома мали отпор) док у супротном смеру представља бесконачан (или бар веома велики) отпор. Зато се за диоду каже да постоји проводни и непроводни смер. Може се сматрати да за протицање струје у проводном смеру диода има отпорност колико и жица проводника(нула), а за непроводни смер се може посматрати као прекид проводника(бесконачно).

Диоде се производе углавном од полупроводничких материјала као што су силицијум или германијум. Међутим, још увек постоје диоде са термојонском емисијом, некада популарне електронске цеви.

полупроводник

Историја диоде

Вакумске и кристалне диоде су откривене скоро у исто време. Принцип рада термојонске диоде је открио Фредерик Гутри 1873. године. Принцип рада кристалне диоде је открио немачки научник Карл Фердинанд Браун 1874. године.

Међутим, принцип рада термојонске диоде поново је открио Томас Едисон 13. фебруара 1880 године, за шта је признат патент 1883. године. Браун је патентирао

Златан Челебић 136/08

18


кристални исправљач 1899. године. Први радио пријемник који користи кристални исправљач је направио Пикар 1900 године.

Прве диоде су електронске цеви (познате као термојонске вакумске цеви), код којих су електроде окружене вакумом у стакленом балону слично сијалицама са ужареним влакном. Проналазач овакве конструкције диоде је Џон Амброз Флеминг, научни саветник у компанији Маркони, који је 1904. године на основу радова Томаса Едисона успешно демонстрирао ову чудну справу, а патентирао је новембра 1905. године. Израз је смислио Виљем Хенри Еклс 1919. Године грчко-латинском комбинацијом речи di-два, ode-пута.

Технологија диода

Као и сијалице са ужареним влакном,тако и вакумске цеви имају нит која се ужари када кроз њу тече електрична струја. Нит ужарена у вакуму емитује електроне а потом електрични напон, разлика потенцијала, између електрода, покреће електроне од ужарене електроде ка другој, хладној. Тако ток (негативног) електрона од ужарене нити кроз вакум до друге (позитивне, хладне) електроде представља проток електричне струје. Усијана електрода, извор електрона, се назива анода, а хладна се зове катода. Неупоредиво мање електрода може ићи у супротном смеру, чак иако је катода негативно наелектрисана, јер не постоји термојонска емисија електрода која се изазива усијавањем. Ток електрона се одвија од аноде ка катоди, али пошто је електрон носилац негативног наелектрисања, струја се означава тако да тече од катоде ка аноди. То је проводни смер диоде.

Мада се у вакумске цеви, диоде, користе још у пар специјализованих примера, већина савремених диода је заснована на полупроводничким p-n спојевима. Код полупроводничких диода струја тече од p- стране (анода) ка n- страни (катода), исто као и код вакумске цеви али не и у супротном смеру. У случају обрнуте поларизације диоде долазе до уклањања носилаца наелектрисања из области споја и стварања области просторног товара.


18


Физичко објашњење полупроводничког понашања диоде

Крива зависност струје од наpона, понекад названа U-I дијаграм, описују понашање области просторног товара у полупроводничкој диоди. Ова областа постоји на p-n споју између различито допираних полупроводника. Када се првобитно креира p-n спој, слободни електрони из N- допиране области се дифузно крећу ка P- допираној области која обилује шупљинама (то су места где електрон недостаје у спољашњој орбити атома). Када слободни електрони попуне шупљине, нестају шупљине али нема више покретних електрона. Тако су се неутралисала два носиоца наелектрисања. Област око p-n споја

остаје без слободних носилаца наелектрисања и понаша се као изолатор. Међутим, област просторног товара се не шири бесконачно. За сваки електрон који попуни једну шупљину у P- делу остаје у N- делу један позитивно наелектрисан донорски јон. Како овај процес напредује и све је више позитивних јона у N- делу, расте јачина електричног поља кроз област просторног товара који успорава и на крају потпуно зауставља даљи ток електрона.

У овом тренутку постоји уграђен електрични потенцијал у област просторног товара. Ако се доведе спољашњи напон на контакте диоде са истим поларитетом као и уграђено електрично поље, област просторног товара се и даље понаша као изолатор спречавајући проток струје. За силицијумске диоде уграђени напон износи 0.6 V . Значи, ако струја протекне кроз диоду, око 0.6 V напона се појави између P- дела и N- дела а за диоду се каже да је провела.

I – V карактеристика диоде се може апроксимирати у две одвојене области деловања. Испод извесне вредности разлике потенцијала између извода диоде, област просторног товара има значајну ширину а диода се може сматрати отвореним водом односно прекидом електричног кола. Како се разлика потенцијала повећава, долази до стања када диода постаје проводна и наелектрисање протиче што се може сматрати кратким спојем ( реално постоји известан мали отпор ). Прецизно нацртано, функција преноса је логаритамска, али са веома оштрим завојем криве тако да подсећа на прелом.


18


Шоклијева једначина идеалне диоде (названа по Виљему Бредфорду Шоклију) може се

употребити за апроксимацију I-V карактеристике p-n диоде.

где је I струја диоде, а IС се зове струја засићења, q је наелектрисање електрона, k Болцманова константа, Т је апсолутна температура p-n споја и VD је напон на диоди. Израз kТ/q је термални напон, понекад краће записано као VТ , и приближно износи 26 mV на собној температури. n (понекад изостављено) је коефицијент емисије, који варира између 1 и 2 зависно од процеса производње и полупроводног материјала.

Могуће је употрбити краћи израз. Стављајући

и n=1 једначина за струју диоде постаје:


18


где је Vγ =25mV (на собној температури) константна.

Код обичних силицијумских диода, при уобичајеним струјама пад напона у проводној диоди износи приближно 0.6 до 0.7 V . Вредност је различита за разне типове диода: код Шотки диода је тај напон око 0.2 V, а код светлећих диода (LED) може бити 1.4 или више, зависно од струје.

Диода – „исправљач“

Директна поларизација, диода проводи

Ако је V>Vpn, I=V−V pn

R

Vpn ~ 0.6V, за диоду од Ѕi


18


Инверзна поларизација, диода не проводи

Ако је V<Vpn, I=0

Полупроводничке диоде

Највећи број данашњих диода су полупроводничке диоде базиране на PN спојевима. У PN споју електрична струја може да тече од P-електроде (аноде) ка N-електроди (катоди) али не и у супротном смеру. Смер струје и електрона је супротан, тј. електрони иду од катоде ка аноди (тако је усвојено много пре него сто је диода настала).


18


Неки симболи диода

Постоји неколико врста диода са полупроводничким спојем:

Обичне (p-n) диоде

раде на начин како је претходно описано. Производе се од монокристалног силицијума (ређе германијума) уз мале примесе 3-валентних и 5-валентних елемената. Пре савремених силицијумских диода за исправљање напона су се користиле диоде са бакароксидом или селинијумом. Међутим мала ефикасност је била разлог великог пада напона по диоди од 1.4-1.7 V, који у случају потребе испарављања високих напона и употребе вишеструко на ред везаних диода стварао велики пад напона, због чега је било потребно имати велике хладњаке, значајно веће него што је то данас случај код силицијумских диода истих струјних карактеристика.

Диоде обогаћене златом

Злато изазива потискивање споредних носилаца наелектрисања. Ово умањује ефективну капацитивност диоде, омогућивши да диода ради на већим фреквенцијама. Типичан пример је 1N914. Германијумске и Шотки диоде су истог реда брзине као ове диоде, а такође и биполарни транзистори који су везани као диода. Исправљачке диоде се праве са намером да раде на највише 2.5 * 400 Hz што је 1kHz и није им потребан оволики опсег.


18


Диоде са лавинским ефектом

Диоде које проведу у инверзном смеру када напон поларизације изазове лавинско умножавање слободних носилаца електрицитета услед достизања великих брзина при кретању кроз јако електрично поље прелазне области. Овај принцип је присутан код високих вредности непропусне поларизације, преко 6.2 V до 1500V. Ове диоде имају позитиван температурни коефицијент пробојног напона, што се ублажава редним додавањем обичне диоде поларисане у пропусном смеру и има негативни температурни коефицијент.

Диода за потискивање пролаза напона

Су диоде са лавинским пробојем направљене посебно ради заштите других полупроводничких уређаја од електростатичког пражњења. Попречни пресек прелазне области њиховог p-n споја је много сири него код обичне диоде, што омогућује да проведу велике струје ка уземљењу без оштећења.

Светлећа диода (LED)

светли односно емитује фотоне када електрони пролазе кроз спој, тј када се стави под напон. Већина диода емитује зрачење, али оно не напушта полупроводник и налази се у фрекфентном опсегу инфрацрвеног зрачења. Међутим, избором одговарајућег материјала и геометрије светлост постаје видљива. Напон потенцијалне баријере диода одређује боју светлости. Различити материјали или неуобичајени полупроводници се користе у ту сврху. Црвеној боји одговара напон од 1.2V, а напон од 2.4V одговара љубичастој. Данас постоје диоде и за ултраљубичасту светлост. Прве светлеће диоде су биле црвене и жуте, а друге су настале касније. Све светлеће диоде су једнобојне; беле диоде су уствари комбинација 3 диоде различитих боја или плава обложена жутом. Што је нижа фреквенција диоде већа је ефикасност па је за ефекат једнаке јачине светла разних диода потребно повећавати јачину струје код диода виших фреквенција. Ово се још више компликује чињеницом да је људско око најосетљивије на светлост која је негде између плаве и зелене.

Црвена, плава и зелена светлећа диода

Фото диода


18


је диода са широким провидним спојем. Фото диода реагује на појаву светлости генеришући електричну струју. Фотони избијају електроне из орбита у области споја што је узрок појаве електричне струје. Фото диоде се могу користити као соларне или фотонапонске ћелије и у фотометрији. Ако фотон нема довољно енергије неће пробудити електрон и само ће проћи кроз спој. Чак се и светлећа диода може употребити као фото диода ниске ефикасности у неким применама. Некад се светлећа диода и фото диода пакују у исто кућиште. Овај уређај се тада зове “опто изолатор”, “опто декаплер” или “опто раздвајач”. За разлику од трансформатора он дозвољава галванско раздвајање једносмерног напона. Ово је изузетно корисно, рецимо код заштите пацијената који су прикључени на медицинске уређаје или када се осетљива нискострујна кола раздвајају од проблематичних напојних склопова или јаких електромотора. Соларне ћелије су такође једна врста фото диоде.

Ласерске диоде

су врсте светлеће диоде од којих се полирањем паралелних страница материјала диоде формира резонантна шупљина што се манифестује као појачавач усмерене светлости-ласер. Ласерске диоде се користе код оптичких уређаја (CD и DVD читачи/писачи) и као комуникације изузетно великих капацитета ( оптичка влакна и оптичке комуникације)

Варикап диоде

се користе као напонски контролисани кондензатори код осцилатора.

Зенер диоде

Ове диоде се некад називају пробојне диоде. Посебна особина ових диода је да могу провести у супротном смеру. Овај ефекат, назван Ценеров пробој, на прецизно одређеној вредности инверзног напона што је особина значајна за конструкцију референтног напонског извора или у колима за стабилизацију и ограничење напона. Принцип рада се заснива на појави тунеловања електрона кроз танку потенцијалну баријеру споја. Услед овога је пробојни напон код ових диода релативно мали, од 2 до 6 V. Пробојне диоде могу бити силицијумске и германијумске, али су силицијумске боље због оштријег колена карактеристике при прелазу у област пробоја. Ове диоде имају негативан температурни коефицијент пробојног напона.

Зенер диода је тип диода која дозвољава тренутно кретанје струје, не само у правцу напред као нормална диода, него и у обрнутом смеру, ако је напон већи од напона квара познатији као "зенер напонско колено" или "зенер напон". Уређај је назван по Klarens Zener, који је открио ову електричну иновину. Конвенционалних чврстих стања диода неће дозволити значајна струја ако је обрнуто-пристрасан испод свог слома реверзни напон. Када је обрнута пристрасност слом напона премашила, конвенционални диода је предмет високе струје због Латински пробој. Осим ако је ово тренутно ограничено спољним колима, диода ће бити трајно оштећена. У случају


18


великих напред пристрасност (тренутно у смеру стрелице), диода показује напон због спајања уграђену унутрашњу отпорност и напон. Количина напона зависи од полупроводничких материјала и допингу концентрације. Зенер диода показује скоро исте карактеристике, осим уређај специјално је дизајнирана тако да значајно смањује напонски слом, тзв зенер напон.

Зенер диода садржи веома допираним PN спој омогућава да електрони из тунела Валенција бенд од материјала P-типа да вођење бенд од материјала N-типа. У атомском нивоу, овај тунел одговара превозу електрона у празно, као резултат смањења баријера између ових група и високим електричним пољима која су индукована због релативно високог нивоа допинга на обе стране [1]. обрнутим пристрасан зенер диода ће излагати под контролним распадом и омогућавају да задржите тренутни напон зенер диода напона на зенер. На пример, са зенер диода слом напона од 3,2 V ће излагати напона од 3,2 V ако је реверзна напонска пристрасност примењују преко ње је више него зенер напон. Ипак, тренутно није неограничен, па зенер диода се обично користи да генерише референтни напон за појачало бини, или као стабилизатор напона за ниске текуће апликације.

Слом напона може бити контролисан прилично тачно у допингу процеса. Док толеранције у року од 0,05% на располагању, најчешће се користи толеранције су 5% и 10%. Breakdoun voltaдe најчешће доступне Зенер диоде може увелико да варира од 12 волти до 200 волти

Струја-напон карактеристика зенер диода са слом напона од 17 волта. Обавештење о промени напона скали између напред пристрасан (позитивни) смеру и обрнуто пристрасан (негативне) правцу


18


Још један механизам који производи ефекат је сличан ефекат као лавина диода. Две врсте диода у ствари граде на исти начин како и ефекти су присутни у диоде овог типа. У Силицијумској диоде до око 5,6 волти, зенер ефекат је доминантан ефекат показује и означени негативни температурни коефицијент. Изнад 5.6 волти, лавина ефекат постаје доминантна и показује позитиван температурни коефицијент [1]. У диода 5,6 V, два ефекта се јављају заједно, а њихова температура коефицијената уредно откаже међусобно, чиме је диода 5,6 V је компонента за избор температуре критичне апликације.

Модерне производне технике, произвели су уређаји са напонима мањи од 5,6 V са занемарљиво температури коефицијентима, али већи напон уређаји су наишли драматично, температурни коефицијент расте. 75 V диода је 10 пута коефицијент: 12 V диода.

Све такве диоде, без обзира на слом напона, обично се продава под окриљем мандат "зенер диода".

У диода 5,6 V, два ефекта се јављају заједно, а њихова температура коефицијената уредно откаже међусобно, чиме је диода 5,6 V је компинента за избор температуре критичне апликације.

Модерне производне технике, произвели су уређаји са напонима мањим од 5,6 V са занемарљиво температури коефицијентима, али већи напон уређаји су наишли драматично, температурни коефицијент расте. 75 V диода jе 10 пута коефициjент: 12V диода.

TC у зависности од напона Зенер


18


Зенер диода се широко користи као референте напона и као шант регулатора да регулише напон малих кола. Када сте повезани паралелно са променљивим извором напона, тако да је обрнуто пристрасан, зенер диода проводи кад напон достигне обрнуто пробој напона диода је. Од тог тренутка па релативно ниска импеданса диода држи напон диода на ту вредност.

Зенер диода је приказано са типичном пакета. Реверсе струја - Из

приказује.

У овом колу, типичан или регулатора референца напона, улазни напон, UIN-, регулисано до стабилног UOUT излазног напона. Унутрашњи напон од диода D је стабилно преко широког опсега и тренутно има UOUT релативно константна иако улазни напон може да варира током прилично широк спектар. Због ниске импедансе од диода када раде овако, Отпорник R се користи за ограничење струје кроз коло.

У случају ова једноставна референца, струја која тече у диода је одређивана применом законом Ома и познати напона на отпорнику R. I диоде = (UIN-- UOUT) / RΩ. Вредност R мора да задовољи два услова:

R мора бити довољно мали да струја води до D у обрнутом слома. Вредност ове струје је дат у подацима стања за D. На пример, заједничке BZKS79C5V6 [2] уређај, 5,6 V 0,5 у зенер диоди, је препоручила обрнути струјом од 5 MA. Ако постоји довољно струје кроз D UOUT онда ће бити нерегулисана, а мање од номиналног напона квара (ово се разликује за цеви регулатора напона, где излазни напон ће бити већи од номиналне и да порасту као висок као UIN-). При израчунавању R, додатак треба да се поднесе за било струје кроз спољашње оптерећење, није приказано на дијаграму, повезан преко UOUT.

R мора да буде довољно велика да струја до д не уништити уређај. Ако се струја кроз D је лична карта је слом напона VB и максимална снага дисипације Pmax онда IDVB <Pmax. Оптерећења могу бити постављена преко референтна диода у колу, и све док Зенер остаје у обрнутом слом, диода ће обезбедити стабилан извор напона на оптерећења.


18


Зенер диода се користи на овај начин се назива шант напон регулатора (шант, у том контексту, што значи да повезани у паралелно, а напон регулатора што класа кола која производи стабилан напон било оптерећења). У смислу, део је струја кроз отпорник паралелно везан кроз зенер диода, а остатак се кроз оптерећење. Тако да је напон учитавања види се контролише изазива неки део струје из извора напајања да га заобиђе, па отуда и име, по аналогији са локомотива пребацивање бодова.

Скренути регулатори су једноставно, али захтева да се баласт отпорника довољно мали да се избегне претерано пад напона током најгори рад (ниског улазног напона истовремено са високог оптерећења струја) има тенденцију да остави много струје која тече у диоди много времена , што за прилично расипнички регулатора са високом стању мировања расипање снаге, погодан само за мање терета.

Ови уређаји су наишли, обично у серији спој база-емитер, транзистора у фази где се селективно избор уређаја окупљене око лавину зенер тачка се користи да уведе надокнаду температуру ко-ефикасно балансирање транзистора PN спој. Пример ове врсте користи би DC појачавач грешке користи у коло напајања струјом стабилизовати систем повратне спреге.

Зенер диоде се користе и у појачању заштите на прелазни рок скок напона.

Вредности појединих зенер диода могу бити изабрани тако да одговарају апликацију док силицијумска диода 0.7 V о капи у напред пристрасном стању. Напон напајања, VIN морају, наравно, бити већи од највећег излазног напона и референтног у нашем примеру горе је то 19 V. Типична је зенер диода 500 mW BZKC55 серија или већи 1.3 W BZKC85 серије су зенер напон је дат као пример, C7V5 за 7.5 V уређај даје диода референца BZKC55C7V5. Појединачне вредности напона за ове мале, али веома корисне диоде, су дате у табели испод.

BZX55 Zener Diode Power Rating 500mW2.4V 2.7V 3.0V 3.3V 3.6V 3.9V 4.3V 4.7V5.1V 5.6V 6.2V 6.8V 7.5V 8.2V 9.1V 10V11V 12V 13V 15V 16V 18V 20V 22V24V 27V 30V 33V 36V 39V 43V 47V

BZX85 Zener Diode Power Rating 1.3W


18


3.3V 3.6V 3.9V 4.3V 4.7V 5.1V 5.6V 6.2V6.8V 7.5V 8.2V 9.1V 10V 11V 12V 13V15V 16V 18V 20V 22V 24V 27V 30V33V 36V 39V 43V 47V 51V 56V 62V

За стабилност напајања потребно је напајање од 12V DC извор унос. Максимална снага зенер диода је 2W. Користећи табелу изнад израчунати:

а) максимална струја која тече кроз зенер диоде,

б) вредност серије отпорника, RS,

в) оптерећенја струја IL ако је оптерећење отпорник од 1кΩ повезан преко зенер диода,

г) укупна струја напајања.

Зенер диоде повезане у серију

Is Rs 19.0v

ZD1=5.1v 13.9v

ZD2=3.3v 10.6v

Vin

D1=1N4148 10.0v Vout


18


ZD3=10.0v

Зенер диода може да се користи за производњу стабилизује излазни напон полагањем малих струја кроз њега из извора напона преко одговарајуће ограничавајуће струје отпорника. Памтимо из претходног туторијала који DC излазни напон од половине или целог таласа исправљач садржи Мрешкати суперпонира на DC напон, као и да учита вредност се мења тако да се просечни излазни напон. Повезивањем једноставна зенер стабилизатором кола као што је приказано у наставку преко излаза исправљача више стабилна референтни напон може произвести:

а)

Тренутни max и min=Wat

napon=2W

5 V=400 mA

б) R s=V s−V z

I z

= 12−5400 mA

=17,5 Ω

в) I l=V z

Rl

= 5V1000 Ω

=5 mA

г) I s=I z+ I l=400 mA+5mA=405 mA

Зенер диода BZT52C2V0 - BZT52C39


18



diode 22222

Documents