Dioda półprzewodnikowa

złącze p-n

Dioda niespolaryzowana

Po zetknięciu półprzewodników typu n i p następuje dyfuzja

dziur z obszaru p do obszaru n i elektronów z obszaru n do

obszaru p, powstaje warstwa zaporowa uniemożliwiająca

przepływ prądu. Na złączu powstaje napięcie dyfuzyjne U

J

,

które dla diod krzemowych wynosi od 0,6 V do 0,8 V, a dla

diod germanowych wynosi ono od 0,2 V do 0,3 V

Dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym

Po przyłożeniu dodatniego potencjału do obszaru n i

ujemnego do obszaru p (napięcie U

D

) warstwa zaporowa

powiększa się i przepływ prądu jest nadal niemożliwy.

Dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia

Po przyłożeniu ujemnego potencjału do obszaru n i

dodatniego do obszaru p warstwa zaporowa maleje i w miarę

jak narasta napięcie U

D

, prąd diody rośnie. Gdy U

D

>U

J

warstwa zaporowa znika i prąd gwałtownie rośnie przy

niewielkim wzroście napięcia U

D

.

Warstwa

U

k

+

U

z

-

A

U

J

półprzewodnik

typu p

Warstwa

zaporowa

półprzewodnik

typu n

Warstwa

U

k

zaporowa

-

U

z

+

U

J

U

J

+ U

D

-

-

U

D

+

„Anoda”

„Katoda”

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

I

[

m

A

]

U [V]

Diody prostownicze

Charakterystyka prądowo-napięciowa













−













=

1

exp

0

nkT

eU

I

I

D













≈

ϕ

n

U

I

I

D

exp

0

e

kT

=

ϕ

Gdzie

U

J

napięcie dyfuzyjne diody

k - stała Boltzmanna,
e - ładunek elektronu,
T - temperatura,
n - wielkość bezwymiarowa zależna od
konstrukcji i sposobu domieszkowania diody i
mieści się w granicach od 1 do 2

w przybliżeniu:

Zależność prądu od napięcia w diodzie
półprzewodnikowej nie jest zgodna z prawem
Ohma i wynosi:

jest potencjałem termicznym (potencjał elektrokinetyczny), który w temperaturze pokojowej
wynosi około 26 mV

Kierunek zaporowy
diody

Kierunek
przewodzenia
diody

Anoda

Katoda

0

Diody prostownicze

Jedno-połówkowy prostownik napięcia przemiennego

( )

( )

( )

( )

V

7

,

0

gdy

A

0

V

7

,

0

gdy

A

0

≈

≠

<

≈

t

u

t

i

t

u

t

i

D

D

( )

( )

( )

( )

( )

( )

V

7

,

0

sin

gdy

V

7

,

0

V

0

gdy

sin

V

7

,

0

gdy

V

7

,

0

sin

V

7

,

0

gdy

0

0

0

0







−

=

≈

≈







≈

−

<

=

t

u

t

u

t

u

t

u

t

u

t

u

t

u

t

u

t

u

wyj

wyj

D

D

D

wyj

ω

ω

ω

( )

( )

t

i

R

t

u

wyj

0

=

( )

( )

t

u

t

u

t

u

D

wyj

−

=

ω

sin

0

Z prawa Ohma:

Z II prawa Kirchhoffa:

Dla diody krzemowej, na podstawie jej charakterystyki
prądowo-napięciowej, można założyć, że:

( )

( )

t

u

t

u

t

u

wyj

D

−

=

ω

sin

0

Napięcie na diodzie i napięcie wyjściowe zmieniają się w
czasie zgodnie z poniższymi równaniami:

u

wej

(t)

t

t

Napięcie wyjściowe

u

wyj

(t)

(spadek

napięcia na rezystorze R

0

) jest

różne od zera tylko dla dodatnich
wartości napięcia wejściowego.

B

A

0

A

B

0

Diody prostownicze

Dwu-połówkowy prostownik napięcia przemiennego

Prostownik z mostkiem Gretza

i jednym źródłem zasilania

Prostownik z dwiema diodami

i dwoma źródłami zasilania

Kierunek przepływu prądu

w chwili gdy:

----

potencjał w punkcie A

jest większy od potencjału
w punkcie B,

----

potencjał w punkcie B

jest większy od potencjału
w punkcie A.

u

wyj

(t)

t

W obydwu rodzajach prostowników

wystąpi efekt dwu-połówkowego

prostowania napięcia wejściowego:

( )

( )

t

u

t

u

wej

wyj

≈

I

II

0

( )

V

7

,

0

sin

0

−

=

t

u

t

u

C

ω

Początkowo, w przedziale czasu t od 0 do T/4 następuje
ładowaniu kondensatora prądem i(t). Zgodnie z drugim
prawem Kirchhoffa dla oczka I napięcie u

C

(t) na

okładkach kondensatora wynosi:

Diody prostownicze

Zamiana napięcia przemiennego na napięcie stałe

W chwili t = T/4 napięcie na okładkach kondensatora
osiąga największą wartość:

( )

V

7

,

0

0

−

=

u

t

u

C

Następnie napięcie wejściowe zaczyna opadać i napięcie
u

D

(t) na diodzie zaczyna maleć poniżej wartości 0,7 V.

Prąd i(t) diody przestaje płynąć, aż do momentu gdy
napięcie wejściowe osiągnie wartość:

( )

( )

V

7

,

0

+

=

t

u

t

u

C

wej

W czasie gdy prąd i(t) nie płynie, napięcie u

C

(t) maleje

(kondensator rozładowuje się w obwodzie II ze stałą
czasową

τ

=R

0

C).

Z drugiego prawa Kirchhoffa dla oczka II, napięcie
wyjściowe u

wyj

(t) jest równe napięciu u

C

(t) i wynosi:

( )

( )

t

u

u

t

u

T

CONST

wyj

+

=

Gdzie u

CONST

jest składową stałą napięcia wyjściowego,

a u

T

(t) napięciem tętnień.

T

T/4

t

u

T

(t)

u

0

-0,7V

u

wyj

(

t

)

u

CONST

t

u

wej

(t)

u

T1

(

t

)

u

T2

(

t

)

t

u

wyj

(t)

Diody prostownicze

Zamiana napięcia przemiennego na napięcie stałe

Wadą układu z prostownikiem jedno-
połówkowym jest zmniejszanie się
składowej stałej u

CONST

i jednoczesny

wzrost składowej u

T

(t) w miarę jak

rezystancja R

0

odbiornika maleje (coraz

szybciej rozładowuje się kondensator C –
stała czasowa obwodu

τ

jest coraz

mniejsza).

t

u

wyj

(t)

Zastosowanie prostownika dwu-
połówkowego powoduje, że przy tej samej
stałej czasowej obwodu R

0

C, napięcie

tętnień u

T

(t) zmniejsza się około dwa razy, a

napięcie stałe u

CONST

jest większe w

stosunku do układu z prostownikiem jedno-
połówkowym.

Rezystancja R

0

mniejsza

Rezystancja R

0

większa

prostownik dwu-

połówkowy

prostownik jedno-

połówkowy

Dioda Zenera

Charakterystyka prądowo-napięciowa

Produkowane diody Zenera
mają różne napięcia
przebicia

U

Z

. Wartości

tych napięć wahają się od
1,5 V do 24 V:

Gdy napięcie wsteczne na diodzie Zenera osiągnie wartość U

Z

, to następuje gwałtowne

narastanie prądu związane z odwracalnym przebiciem Zenera. Wartość tego napięcia
praktycznie nie zależy od prądu płynącego przez diodę.

U

Z

napięcie Zenera

U

Z

napięcie Zenera

i

Z0

i

p0

Prąd

i

Z0

oznacza minimalną wartość prądu jaki musi płynąć przez diodę, poniżej

którego napięcie na diodzie zacznie zdecydowanie maleć. Jeżeli zostanie
przekroczona wartość prądu

i

Zp

to dioda ulegnie zniszczeniu.

Prądy

i

Z0

i

i

Zp

wyznaczają zakres pracy diody Zenera jako stabilizatora napięcia.

Anoda

Katoda

U

wyj

R

u

wej

= u

CONST

+u

T

(t)

R

S

U

Z

i(t)

R

i

Z

(t)

I

R

u

S

(t)

I

II

U

wyj

R

u

wej

= u

CONST

+u

T

(t)

R

S

U

Z

i(t)

R

i

Z

(t)

I

R

u

S

(t)

I

II

0

Dioda Zenera

Stabilizator napięcia

Diody Zenera służą do stabilizacji napięć. Dzięki ich zastosowaniu można zamienić napięcie zmienne na
napięcie stałe o wartości równej napięciu przebicia Zenera.

Z drugiego prawa Kirchhoffa dla oczka II:

Jeśli w dowolnej chwili czasu prą i

Z

(t) będzie mniejszy od

i

Zp

i większy od i

Z0

, to napięcie diody Zenera nie będzie

zależało od tego prądu i napięcie U

wyj

= const

Z

wyj

U

U

=

const

=

=

Z

wyj

U

U

Wadą układu jest niewielka wartość prądu, który płynąc rezystor R

S

nie spowoduje zniszczenia diody

(porównywalna z dopuszczalnym prądem

i

Zp

diody Zenera – od kilku do kilkudziesięciu mA)

u

max

u(t)

U

Z

U

wyj

u

CONST

u

T

(t)

t

u

wej

(t)

U

wyj

R

u

wej

= u

CONST

+u

T

(t)

R

S

U

Z

i(t)

R

i

Z

(t)

I

R

u

S

(t)

I

II

U

wyj

R

u

wej

= u

CONST

+u

T

(t)

R

S

U

Z

i(t)

R

i

Z

(t)

I

R

u

S

(t)

I

II

0

Dioda Zenera

Stabilizator napięcia

( )

( )

t

i

R

t

u

S

S

=

( )

( )

0

=

−

−

+

Z

S

T

CONST

U

t

u

t

u

u

Z prawa Ohma i z drugiego prawa Kirchhoffa dla oczka I:

Z powyższych równań otrzymujemy:

( )

( )

S

T

S

Z

CONST

R

t

u

R

U

u

t

i

+

−

=

Z pierwszego prawa Kirchhoffa, prąd i

Z

(t) płynący

przez diodę Zenera wynosi:

( ) ( )

R

Z

I

t

i

t

i

−

=

i

W celu poprawnej pracy diody Zenera jako
stabilizatora, w dowolnej chwili czasu musi być
spełniony warunek:

( )

( )

Zp

R

S

T

S

Z

CONST

Z

Zp

Z

Z

i

I

R

t

u

R

U

u

i

i

t

i

i

<

−

+

−

<

<

<

0

0

Dla danej diody Zenera (i

Zp

, i

Z0

i U

Z

) i prądu I

R

płynącego przez rezystor obciążenia R

0

rezystancja

R

s

musi zawierać się w wyznaczonym przedziale.

R

Zp

Z

S

R

Z

Z

CONST

I

i

U

u

R

I

i

U

u

+

−

>

>

+

−

max

0

Po przekształceniach otrzymujemy:

Największą wartość prądu I

Rmax

jaka może

wypływać ze stabilizatora do obciążenia R

0

obliczamy z porównania górnego i dolnego
ograniczenia na rezystancję R

s

:

(

)

0

max

0

max

Z

CONST

Z

CONST

Z

Zp

R

i

u

u

U

u

i

i

I

−

−

−

−

=

max

max

max

0

R

Zp

Z

R

Z

Z

CONST

I

i

U

u

I

i

U

u

+

−

=

+

−

Wynosi ona:

Dioda Zenera

Stabilizator napięcia

Przykład:

Zaprojektować stabilizator napięcia mając do dyspozycji diodę Zenera, dla której i

Zp

= 30 mA, i

Z0

= 5

mA i U

Z

= 5 V. Napięcie u

CONST

ź

ródła zasilania wynosi 10 V, a dopuszczalna amplituda tętnień wynosi

2 V (u

max

= 12 V). Rezystancja obciążenia R

0

wynosi 200

Ω.

Prąd I’

R

jaki będzie wypływał ze stabilizatora wynosi:

mA

200

V

25

5

'

0

=

Ω

=

=

R

U

I

Z

R

Sprawdzamy czy I’

R

jest mniejszy od największego prądu dopuszczalnego dla stabilizatora I

Rmax

:

(

)

(

)

mA

25

mA

>

=

−

−

−

−

=

−

−

−

−

=

5

,

57

5

10

12

5

10

5

30

0

max

0

max

Z

CONST

Z

CONST

Z

Zp

R

i

u

u

U

u

i

i

I

Wyliczamy wartość rezystancji R

S

:

[ ]

[ ]

Ω

>

>

Ω









+

−

>

>









+

−

127

166

25

5

5

10

25

5

5

10

S

S

R

R

mA

V

mA

V

Wybieramy wartość rezystancji R

S

= 150

Ω

R

u

wej

= 10 V ± 2 V

R

S

= 150

Ω

i(t) = 33

÷

47 mA

R

0

i

Z

(t) = 8

÷

22 mA

I

R

=25 mA

U

wyj

=5 V

R

u

wej

= 10 V ± 2 V

R

S

= 150

Ω

i(t) = 33

÷

47 mA

R

0

i

Z

(t) = 8

÷

22 mA

I

R

=25 mA

U

wyj

=5 V