Características dos diodos, projetos e recursos de aplicação

Características dos diodos, projetos e recursos de aplicação

No artigo anterior, começamos a explorar diodo semicondutor. Neste artigo, consideraremos as propriedades dos diodos, suas vantagens e desvantagens, vários projetos e características de aplicação em circuitos eletrônicos.

Característica de tensão de corrente do diodo

A característica de tensão de corrente (CVC) de um diodo semicondutor é mostrada na Figura 1.

Aqui, em uma figura, são mostradas as características I - V dos diodos de germânio (azul) e silício (preto). É fácil perceber que as características são muito semelhantes. Não há números nos eixos das coordenadas, pois para diferentes tipos de diodos eles podem diferir significativamente: um diodo poderoso pode passar uma corrente direta de várias dezenas de amperes, enquanto um de baixa potência pode transmitir apenas algumas dezenas ou centenas de miliamperes.

Existem muitos diodos de modelos diferentes, e todos eles podem ter finalidades diferentes, embora sua principal tarefa seja a propriedade principal. condução atual de sentido único. É essa propriedade que permite o uso de diodos em retificadores e dispositivos detectores. No entanto, deve-se notar que, atualmente, os diodos de germânio e os transistores não estão mais em uso.

Figura 1. Característica de corrente-tensão do diodo

A filial direta do CVC

No primeiro quadrante do sistema de coordenadas, há um ramo reto da característica quando o diodo está em conexão direta - o terminal positivo da fonte de corrente, respectivamente o terminal negativo do catodo, é conectado ao ânodo.

À medida que a tensão direta Upr aumenta, a corrente direta Ipr também começa a aumentar. Mas, embora esse aumento seja insignificante, a linha do gráfico apresenta um aumento ligeiro, a tensão cresce muito mais rapidamente que a corrente. Em outras palavras, apesar do diodo estar ligado na direção direta, nenhuma corrente flui através dele, o diodo está praticamente bloqueado.

Quando um certo nível de tensão é atingido, uma torção aparece na característica: a tensão praticamente não muda e a corrente está crescendo rapidamente. Essa tensão é chamada queda direta de tensão no diodo, na característica é designada como Uд. Para a maioria dos diodos modernos, essa tensão está na faixa de 0,5 a 1V.

A figura mostra que a tensão direta para um diodo de germânio é ligeiramente menor (0,3 ... 0,4 V) do que para um silício (0,7 ... 1,1 V). Se a corrente direta através do diodo for multiplicada pela tensão direta, o resultado será apenas a potência dissipada pelo diodo Pd = Ud * I.

Se essa energia for excedida relativamente aceitável, pode ocorrer superaquecimento e destruição da junção p-n. É por isso que a referência é limitada a corrente máxima diretae não energia (acredita-se que a tensão direta seja conhecida). Para remover o excesso de calor, diodos poderosos são instalados em dissipadores de calor - radiadores.

Potência dissipada pelo diodo

O exposto acima é explicado na Figura 2, que mostra a inclusão de uma carga, neste caso uma lâmpada, através de um diodo.

Figura 2. Ligando a carga através do diodo

Imagine que a tensão nominal de uma bateria e uma lâmpada é de 4,5V. Com essa inclusão, 1V cairá no diodo, e apenas 3,5V alcançará a lâmpada. Obviamente, ninguém coletará praticamente esse circuito, isso é apenas para ilustrar como e qual a tensão direta no diodo afeta.

Suponha que a lâmpada limitou a corrente no circuito a exatamente 1A. Isso é para facilitar o cálculo. Além disso, não levaremos em consideração o fato de a lâmpada ser um elemento não linear e não obedecer à lei de Ohm (a resistência da espiral depende da temperatura).

É fácil calcular que, em tais tensões e correntes, o diodo dissipa potência P = Ud * I ou 1V * 1A = 1W.Ao mesmo tempo, a potência da carga é de apenas 3.5V * 1A = 3.5W. Acontece que mais de 28% da energia é consumida inutilmente, mais de um quarto.

Se a corrente direta através do diodo for 10 ... 20A, até 20W de potência serão inúteis! Tem esse poder pequeno ferro de solda. No caso descrito, o diodo será um ferro de solda.

Diodos Schottky

É óbvio que é possível se livrar dessas perdas se a queda direta de tensão no diodo Ud for reduzida. Esses diodos são chamados diodos schottky em homenagem ao inventor do físico alemão Walter Schottky. Em vez da junção p-n, eles usam a junção metal-semicondutor. Esses diodos têm uma queda de tensão direta de 0,2 ... 0,4V, o que reduz significativamente a energia liberada pelo diodo.

Talvez a única desvantagem dos diodos Schottky seja a baixa tensão reversa - apenas algumas dezenas de volts. O valor máximo da tensão reversa de 250V possui um desenho industrial MBR40250 e seus análogos. Quase todas as fontes de alimentação dos modernos equipamentos eletrônicos possuem retificadores nos diodos Schottky.

O ramo reverso do CVC

Uma das desvantagens deve ser considerada que, mesmo quando o diodo é ligado na direção oposta, a corrente reversa flui através dele de qualquer maneira, porque não existem isoladores ideais na natureza. Dependendo do modelo do diodo, ele pode variar de nanoamps a unidades de microamps.

Juntamente com a corrente reversa, uma certa quantidade de energia é alocada ao diodo, numericamente igual ao produto da corrente reversa e da tensão reversa. Se essa potência for excedida, é possível uma quebra da junção p-n, o diodo se transforma em um resistor convencional ou mesmo em um condutor. No ramo reverso da característica I - V, esse ponto corresponde à curva da característica para baixo.

Normalmente, os diretórios não indicam energia, mas alguma tensão reversa máxima permitida. Aproximadamente o mesmo que a limitação de corrente direta, mencionada acima.

Na verdade, esses dois parâmetros, com freqüência direta e tensão reversa, são os fatores determinantes na escolha de um diodo específico. É o caso quando o diodo é projetado para operar em baixa frequência, por exemplo, um retificador de tensão com uma frequência de uma rede industrial de 50 ... 60 Hz.

Junção de capacitância elétrica pn

Ao usar diodos em circuitos de alta frequência, é necessário lembrar que a junção pn, como um capacitor, possui uma capacitância elétrica, que também depende da tensão aplicada à junção pn. Essa propriedade da junção p-n é usada em diodos especiais - varicaps usados ​​para ajustar os circuitos oscilatórios nos receptores. Este é provavelmente o único caso em que essa capacidade é usada para o bem.

Em outros casos, essa capacitância tem um efeito interferente, diminui a comutação do diodo e reduz sua velocidade. Essa capacidade é freqüentemente chamada de parasita. É mostrado na Figura 3.

Figura 3. Capacitância espúria

O design dos diodos.

Diodos planos e pontuais

Para se livrar dos efeitos nocivos da capacitância dispersa, são usados ​​diodos especiais de alta frequência, por exemplo os pontuais. O design desse diodo é mostrado na Figura 25.

Figura 4. Diodo pontual

Uma característica de um diodo pontual é o design de seus eletrodos, um dos quais é uma agulha de metal. Durante o processo de fabricação, essa agulha contendo uma impureza (doadora ou aceitadora) é derretida em um cristal semicondutor, resultando em uma junção pn da condutividade necessária. Essa transição tem uma área pequena e, portanto, uma pequena capacidade parasitária. Devido a isso, a frequência de operação dos diodos de ponto atinge várias centenas de megahertz.

Se for usada uma agulha mais nítida, obtida sem eletro-moldagem, a frequência de operação pode atingir várias dezenas de gigahertz. É verdade que a tensão reversa desses diodos não é superior a 3 ... 5V, e a corrente direta é limitada a alguns miliamperes.Mas, afinal, esses diodos não são retificadores; para esses fins, como regra, são usados ​​diodos planares. O dispositivo de um diodo planar é mostrado na figura.

Figura 5. Diodo planar

É fácil ver que esse diodo possui uma área de junção pn muito maior que a do ponto um. Para diodos poderosos, essa área pode atingir até 100 ou mais milímetros quadrados, de modo que a corrente direta é muito maior que a dos pontos. São diodos planares que são usados ​​em retificadores que operam em frequências baixas, em regra, não mais do que várias dezenas de quilohertz.

Aplicação de diodos

Não se deve pensar que os diodos são usados ​​apenas como dispositivos retificadores e detectores. Além disso, há muito mais de suas profissões. A característica I - V dos diodos permite usá-los onde é necessário processamento não linear sinais analógicos.

Estes são conversores de frequência, amplificadores logarítmicos, detectores e outros dispositivos. Os diodos em tais dispositivos são usados ​​diretamente como um conversor ou formam as características do dispositivo, sendo incluídos no circuito de realimentação.

Os diodos são amplamente utilizados em fontes de alimentação estabilizadascomo fontes de tensão de referência (diodos zener) ou como elementos de comutação do armazenamento indutor (comutação de reguladores de tensão).

Usando diodos, é muito simples criar limitadores de sinal: dois diodos conectados na direção oposta servem como excelente proteção para a entrada de um amplificador, por exemplo, um microfone, para fornecer um nível de sinal aumentado.

Além dos dispositivos listados, os diodos são frequentemente usados ​​em comutadores de sinal, bem como em dispositivos lógicos. Basta recordar as operações lógicas AND, OR e suas combinações.

Uma das variedades de diodos é LEDs. Uma vez que eles foram usados ​​apenas como indicadores em vários dispositivos. Agora eles estão em toda parte, das lanternas mais simples às TVs com luz de fundo LED, é simplesmente impossível não notá-las.

Boris Aladyshkin