04 Diody
Diody
Termínem „dioda“ se původně označovala elektronka s dvěma elektrodami, v současnosti se jedná prakticky pouze o polovodičovou součástku, se dvěma elektrodami:
-anoda(+)
-katoda(-).
Úkolem polovodičové diody v elektrickém obvodu je propouštět elektrický proud jedním směrem od anody ke katodě.
schematická značka
Jak poznat katodu(-) na diodě?
Svislá čárka na diodě a k ní přiléhající čáry dávají jakési "K" K jako katoda.
K- katoda A- anoda
Propustný směr
Pokud je na anodě(+) kladné napětí a na katodě(-) záporné napětí je dioda otevřená a proud I protéká téměř bez omezení. V tomto stavu se dioda chová podobně jako sepnutý spínač.
Závěrný směr
Pokud je na anodě(+) záporné napětí a na katodě(-) kladné napětí je dioda zavřená, to znamená, že proud I téměř neteče. V tomto stavu se dioda chová podobně jako rozepnutý spínač. Pokud závěrné napětí překročí konstrukční mez, může dojít k průrazu.
Přechod PN a stavba diody
Polovodičová dioda
- součástka s PN přechodem
V tzv. hradlové vrstvě zaniknou volné částice s el. nábojem a vytváří se el. pole s intenzitou E, která má směr z N do P
Zapojením v tzv. propustném směru (P na +) - při překonání napětí hradlové vrstvy prochází el. proud
Zapojením v tzv. závěrném směru (P na -) - hradlová vrstva se rozšíří, prochází velmi malý el. proud
Stavba polovodičové diody
Polovodičová dioda se skládá ze dvou polovodičů - jeden polovodič je typu N (katoda) a druhý polovodič je typu P (anoda). Na rozhraní polovodičů vznikne přechod P-N (hradlová vrstva), který v ideálním případě propouští proud pouze jedním směrem.
Základ diody je většinou křemíková nebo germaniová destička. Tato je obohacená z jedné strany o prvek s pěti valenčními elektrony (např. fosfor, arsen) a z druhé strany o prvek s třemi valenčními elektrony (jako jsou bor, hliník, gallium, indium). Vzájemným silovým působením mezi částicemi se na přechodu P-N vytvoří vnitřní elektrické pole.
Polovodičovou diodou začíná téct proud I v propustném směru teprve po překonání tzv. prahového napětí P-N přechodu.
Volt-Ampérová charakteristika
Chování diody popisuje tzv. voltampérová charakteristika — tedy závislost protékajícího proudu na přiloženém napětí. Při praktickém používání diody jsou důležité tyto parametry:
Prahové napětí, což je napětí, které je třeba přiložit na diodu, aby došlo k jejímu otevření tj. aby jí mohl protékat proud. Prahové napětí závisí na materiálu, např. u křemíku je 0,51 V, u germania 0,28 V, u LED může dosahovat 3 V.
Maximální proud v propustném směru je maximální proud, který může diodou procházet bez jejího zničení v důsledku přehřátí. U běžných malých diod je to obvykle 0,5 A.
Dynamický odpor je velikost odporu otevřené diody pro malý střídavý proud. Je dán sklonem charakteristiky v propustném směru. Bývá malý.
Prahové napětí a malý dynamický odpor v propustném směru způsobují, že na otevřené diodě je v propustném směru stálý úbytek napětí o hodnotě asi 0,7 V.
Maximální závěrné napětí je maximální napětí, které dioda v opačném směru udrží, aniž by se prorazila.
Zbytkový proud je proud, který prochází diodou v závěrném směru. Bývá velmi malý.
Parametry Ideální diody:
nulové prahové napětí = 0
nekonečný maximální proud v propustném směru = nekonečno
nulový dynamický odpor = 0
nekonečné maximální závěrné napětí = nekonečno
nulový zbytkový proud = 0
Volt-Ampérová charakteristika diody
Jak usměrňovat střídavý proud
I když vyřešíme problém průchodu proudu diodou v závěrném směru, stejně není usměrňování jednou diodou příliš efektivní. Ze střídavého proudu s efektivní hodnotou se stane stejnosměrný proud tzv. tepavý proud Jednou z možností je použít diody tak, aby i ze záporné půlvlny proudu "vyrobily" půlvlnu kladnou (v podstatě to znamená udělat ze střídavého proudu jeho absolutní hodnotu). Tento způsob se nazývá dvoucestné usměrnění.
Graetzovo zapojení
Průchod proudu Graetzovým zapojením
Zenerova dioda - je polovodičová dioda s přechodem PN, která se užívá především v zapojení ke stabilizaci napětí. Konstrukčně určena k zapojení v závěrném (nepropustném) směru, k čemuž je přizpůsobena tím, že její průraz v tomto směru není destruktivní (snese opakovaný průraz v závěrném směru).
Schottkyho dioda - využívá usměrňujících účinků styku polovodiče a kovu. Polovodičem bývá nejčastěji křemík nebo GaAs typu N, kovem = zlato nebo hliník.
Oproti diodám s PN přechodem se Schottkyho dioda vykazuje menším napětím v propustném směru, při kterém se výrazně zvyšuje proud (Schottkyho dioda 0,3 V, křemíková dioda s PN přechodem 0,7 V) a vyšším závěrným proudem.
Kapacitní dioda - je speciální polovodičová dioda sloužící jako napětím řízený kondenzátor, Varikap je založen na tom, že šířka přechodu NP v závěrném směru diody závisí na připojeném napětí. Tento efekt se objevuje u všech polovodičových diod, ale varikap je pro tento účel speciálně přizpůsoben. Varikapy jsou užívány v laděných obvodech (například v rozhlasových a televizních přijímačích) a jiných obvodech vyžadujících proměnnou kapacitu. Ve většině aplikací vytlačily varikapy otočné kondenzátory.
Gunnova dioda - je polovodičová součástka, která lze využít pro generaci vysokofrekvenčního napětí. Dioda se vyznačuje tím, že její základní polovodičová deska je z obou stran opatřena dielektrickými vrstvami,
Doba zotavení
Doba, za kterou dioda po změně polarity anodového napětí obnoví svou izolační schopnost se nazývá doba zotavení trr. trr závisí na materiálu, technologii, nejkratší je u Schottkyho diod a diod z GaAs.