Minden a diódákról
A dióda olyan elektromos eszköz, amely lehetővé teszi, hogy az áram az egyik irányban sokkal könnyebben haladjon rajta keresztül, mint a másikban. A modern áramköri tervezésben a leggyakoribb diódafajta a félvezető dióda, bár más diódatechnológiák is léteznek. A félvezető diódákat olyan sematikus ábrákon szimbolizálják, mint az alábbi ábra. A “dióda” kifejezést általában a kis jelű eszközökre tartják fenn, I ≤ 1 A. Az egyenirányító kifejezést a teljesítményű eszközökre használják, I > 1 A.
Félvezető dióda sematikus szimbólum: A nyilak az áramáramlás irányát jelzik.
A dióda egy egyszerű elem-lámpa áramkörbe helyezve az alkalmazott feszültség polaritásától függően vagy átengedi, vagy megakadályozza az áramot a lámpán. (alábbi ábra)
Dióda működése: (a) Az áramáramlás megengedett; a dióda előrefelé előfeszített. (b) Az áramáramlás tilos; a dióda fordított előfeszítésű.
Ha az akkumulátor polaritása olyan, hogy a diódán keresztül áram folyhat, a diódát előrefelé előfeszítettnek mondjuk. Ezzel szemben, ha az akkumulátor “visszafelé” van, és a dióda blokkolja az áramot, a diódát fordított előfeszítésűnek mondjuk. A diódát úgy lehet elképzelni, mint egy kapcsolót: “Zárva”, ha előrefelé előfeszített, és “nyitva”, ha hátrafelé előfeszített.
A dióda szimbólum “nyílhegyének” iránya a hagyományos áramlás irányába mutat. Ez a konvenció minden olyan félvezetőre érvényes, amely “nyílheggyel” rendelkezik a kapcsolási rajzban. Ennek ellenkezője igaz az elektronáramlás esetén, ahol az áram iránya a “nyílheggyel” szemben van.
Hidraulikus visszacsapószelep analógia
A dióda viselkedése analóg a visszacsapószelepnek nevezett hidraulikus eszköz viselkedésével. Egy visszacsapószelep csak egy irányban engedi át a folyadék áramlását, ahogy az alábbi ábrán látható.
Hidraulikus visszacsapószelep analógia: (a) Az áramlás megengedett. (b) Az áramlás tiltott.
A visszacsapószelepek lényegében nyomásvezérelt eszközök: akkor nyílnak ki és engedik az áramlást, ha a rajtuk áthaladó nyomás megfelelő “polaritású” a kapu kinyitásához (az ábrán látható analógiában a jobb oldalon nagyobb folyadéknyomás van, mint a bal oldalon). Ha a nyomás ellentétes “polaritású”, akkor a nyomáskülönbség a visszacsapószelepen zárja és tartja a kaput, így nem történik áramlás.
A visszacsapószelepekhez hasonlóan a diódák is lényegében “nyomás” által működtetett (feszültség által működtetett) eszközök. Az előre- és hátrameneti előfeszítés közötti lényeges különbség a diódán leadott feszültség polaritása. Nézzük meg közelebbről a korábban bemutatott egyszerű akkumulátor-dióda-lámpa áramkört, ezúttal az alábbi ábrán látható különböző alkatrészeken fellépő feszültségesések vizsgálatával.
Diódakör feszültségmérések: (a) Előre előfeszített. (b) Fordított előfeszítésű.
Előre előfeszített dióda konfiguráció
Az előre előfeszített dióda vezeti az áramot, és egy kis feszültséget ejt rajta, így az akkumulátor feszültségének nagy része a lámpán átesik. Ha az akkumulátor polaritása megfordul, a dióda fordított előfeszítésűvé válik, és az akkumulátor teljes feszültségét leadja, így a lámpa számára nem marad feszültség. Ha a diódát önműködő kapcsolónak tekintjük (előrefeszített üzemmódban zárt, hátrafeszített üzemmódban nyitott), akkor ennek a viselkedésnek van értelme. A leglényegesebb különbség az, hogy a dióda vezetés közben sokkal nagyobb feszültséget veszít, mint egy átlagos mechanikus kapcsoló (0,7 volt szemben néhány tíz millivolttal).
Ez a dióda által mutatott előfeszültség-csökkenés a P-N átmenet által kialakított kimerülési tartomány működésének köszönhető, amely az alkalmazott feszültség hatására alakul ki. Ha egy félvezető diódán nincs alkalmazott feszültség, akkor a P-N átmenet régiója körül egy vékony kimerülési régió létezik, amely megakadályozza az áramáramlást. (Az alábbi a) ábra) A kimerülési régió szinte teljesen mentes a rendelkezésre álló töltéshordozóktól, és szigetelőként viselkedik:
Dióda ábrázolások: PN-átmenet modell, sematikus szimbólum, fizikai rész.
A dióda sematikus szimbóluma a fenti ábrán (b) úgy látható, hogy az anód (mutatós vége) megfelel az (a) pontnál lévő P-típusú félvezetőnek. A katódsáv, nem mutató vége (b) az N-típusú anyagnak felel meg (a). Figyeljük meg azt is, hogy a (c) fizikai részen lévő katódcsík megfelel a szimbólumon lévő katódnak.
Reverse Bias dióda konfiguráció
Ha a P-N átmenetre fordított előfeszítést alkalmazunk, ez a kimerülési tartomány kitágul, tovább ellenállva az azon áthaladó áramnak. (lenti ábra)
A depletiós régió a fordított előfeszítéssel kitágul.
Első feszültség
Mivel szemben, ha a P-N átmenetre előrefeszített feszültséget alkalmazunk, a depletiós régió összeomlik és vékonyabbá válik. A dióda kisebb ellenállásúvá válik a rajta áthaladó árammal szemben. Ahhoz azonban, hogy tartós áram folyjon át a diódán, a fogyatkozási tartományt az alkalmazott feszültségnek teljesen össze kell omlasztania. Ehhez egy bizonyos minimális feszültségre van szükség, amelyet az alábbi ábrán látható módon előfeszítésnek nevezünk.
Az előfeszítés (a)-ról (b)-re való növelése csökkenti a kimerülési régió vastagságát.
A szilíciumdiódák esetében a tipikus előfeszítés 0,7 volt névleges feszültség. A germániumdiódák esetében az előremenő feszültség csak 0,3 volt. A diódát alkotó P-N átmenet kémiai összetétele határozza meg a névleges előremenő feszültség értékét, ezért van az, hogy a szilícium- és a germániumdiódák ilyen eltérő előremenő feszültséggel rendelkeznek. Az előremenő feszültségesés nagyjából állandó marad a diódaáramok széles tartományában, ami azt jelenti, hogy a dióda feszültségesése nem olyan, mint egy ellenállásé vagy akár egy normál (zárt) kapcsolóé. A legtöbb egyszerűsített áramköri elemzésnél a vezető diódán keresztüli feszültségesés a névleges értéken állandónak tekinthető, és nem függ az áram nagyságától.
Diódaegyenlet
A valóságban az előremenő feszültségesés sokkal összetettebb. Egy egyenlet írja le a diódán átfolyó pontos áramot az átmeneten leesett feszültség, az átmenet hőmérséklete és számos fizikai állandó ismeretében. Ezt általában diódaegyenletként ismerik:
A kT/q kifejezés a P-N átmenetben a hőmérséklet hatására keletkező feszültséget írja le, és az átmenet termikus feszültségének vagy Vt-nek nevezik. Szobahőmérsékleten ez körülbelül 26 millivolt. Ennek ismeretében, és feltételezve, hogy a “nem-idealitás” együtthatója 1, egyszerűsíthetjük a diódaegyenletet, és átírhatjuk így:
Az egyszerű diódás áramkörök elemzéséhez nem kell ismernie a “diódaegyenletet”. Csak értse meg, hogy az áramvezető diódán leeső feszültség valóban változik a rajta áthaladó áram mennyiségével, de ez a változás az áramok széles tartományában meglehetősen kicsi. Ezért sok tankönyv egyszerűen azt mondja, hogy a feszültségesés egy áramvezető félvezető diódán keresztül állandó, 0,7 volt szilícium és 0,3 volt germánium esetén.
Néhány áramkör azonban szándékosan használja ki a P-N-csomópontban rejlő exponenciális áram/feszültség kapcsolatot, és így csak ennek az egyenletnek a kontextusában érthető meg. Továbbá, mivel a diódaegyenletben a hőmérséklet is szerepet játszik, az előrefeszített P-N átmenet hőmérsékletérzékelő eszközként is használható, és így csak akkor érthető meg, ha valaki fogalmilag is érti ezt a matematikai összefüggést.
Reverse-biased operation
A reverse-biased dióda megakadályozza, hogy áram folyjon át rajta, a kiterjesztett kimerülési régió miatt. A valóságban egy fordított előfeszítésű diódán nagyon kis mennyiségű áram folyhat és folyik is át, amit szivárgási áramnak nevezünk, de ez a legtöbb cél szempontjából figyelmen kívül hagyható.
A dióda ellenálló képessége a fordított előfeszítésű feszültségekkel szemben korlátozott, mint minden szigetelő esetében. Ha az alkalmazott fordított előfeszítésű feszültség túl nagy lesz, a dióda átütésnek nevezett állapotba kerül (lenti ábra), amely általában romboló hatású.
A dióda maximális fordított előfeszítésű feszültségét csúcs inverz feszültségnek vagy PIV-nek nevezik, és a gyártótól szerezhető be. Az előremenő feszültséghez hasonlóan a dióda PIV-értéke is változik a hőmérséklet függvényében, azzal a különbséggel, hogy a PIV a hőmérséklet növekedésével nő, és a dióda lehűlésével csökken – pontosan az ellenkezője az előremenő feszültségnek.
Diódagörbe: a térd 0,7 V előreirányú előfeszítésnél Si esetében, és a fordított átütés.
Tipikusan egy általános “egyenirányító” dióda PIV-értéke szobahőmérsékleten legalább 50 volt. Sok ezer voltos PIV-értékkel rendelkező diódák szerény áron kaphatók.
REVIEW:
- A dióda egy elektromos alkatrész, amely egyirányú szelepként működik az áram számára.
- Amikor a diódán feszültséget úgy alkalmazunk, hogy a dióda áramot enged, a diódát előrefelé előfeszítettnek mondjuk.
- Ha egy diódán olyan feszültséget kapcsolunk át, hogy a dióda tiltja az áramot, akkor a diódát fordított előfeszítésűnek mondjuk.
- A vezető, előfeszített diódán átesett feszültséget nevezzük előfeszítésnek. Forward voltage for a diode varies only slightly for changes in forward current and temperature, and is fixed by the chemical composition of the P-N junction.
- Silicon diodes have a forward voltage of approximately 0.7 volts.
- Germanium diodes have a forward voltage of approximately 0.3 volts.
- The maximum reverse-bias voltage that a diode can withstand without “breaking down” is called the Peak Inverse Voltage, or PIV rating.
RELATED WORKSHEETS:
- Rectigying Diodes Worksheet
- PN Junctions Worksheet