Ćwiczenie nr 1

POMIAR  CHARAKTERYSTYK  DIOD  I  TRANZYSTORÓW

1.  DIODY

Dioda półprzewodnikowa to element wykonany z półprzewodnika, zawierającego jedno złącze – najczęściej p-n z dwiema końcówkami wyprowadzeń.

Złączem nazywa się atomowo ścisły styk dwóch kryształów ciała stałego. Odległość między stykającymi się obszarami jest porównywalna z odległościami między atomami w kryształach.

Zastosowanie:

Diody półprzewodnikowe stosuje się w układach prostowania prądu zmiennego, w układach modulacji i detekcji, przełączania, generacji i wzmacniania sygnałów elektrycznych.

Diody klasyfikujemy ze względu na:

·        materiał: krzemowe, germanowe

·        zastosowanie:

-         prostownikowe

-         uniwersalne

-         impulsowe

-         stabilitrony – Zenera

-         pojemnościowe – warikapy i waraktory

-         tunelowe

-         mikrofalowe: detekcyjne i mieszające

Rys. 1.1. Podział diod ze względu na zastosowanie.

Rys. 1.2. Charakterystyki prądowo – napięciowe diod.

1.Prostownicza (krzemowa). 2. Zenera (stabilitron). 3. Zwrotna (detekcyjna, mieszająca).

4. Tunelowa. Linią grubą zaznaczono typowy obszar pracy każdej diody.

1.1. DIODY PROSTOWNIKOWE

Diody prostownikowe są przeznaczone do prostowania napięcia bądź prądu przemiennego o małej częstotliwości. Prostowanie jest to przetwarzanie prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy.

Diody zaczynają przewodzić dopiero po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w kierunku przewodzenia. Dla diod krzemowych wynosi ona ok. 0,7V, a dla germanowych ok. 0,3 V. Diody prostownicze są stosowane w układach prostownikowych urządzeń zasilających, przekształcających prąd zmienny w jednokierunkowy prąd pulsujący. W układzie prostowniczym dioda spełnia funkcję zaworu jednokierunkowego. Wykorzystuje się tutaj właściwość polegająca na różnicy zdolności przewodzenia prądu w kierunku wstecznym i w kierunku przewodzenia. Przez diodę prostownikową na ogół płyną duże prądy w kierunku przewodzenia, dlatego też stosujemy diodę warstwową wykonaną z krzemu.

Diody prostownikowe mają małą rezystancję w kierunku przewodzenia – rzędu pojedynczych Ω, co pozwala na uzyskanie dużych sprawności prostowania.

Mamy diody prostownikowe takie jak:

·        diody wysokiego napięcia,

·        diody mocy,

·        diody szybkie mocy,

·        stos diodowy,

Parametry charakteryzujące diody prostownikowe:

·        napięcie przewodzenia – UF, przy określonym prądzie przewodzenia,

·        prąd wsteczny – IR, przy określonym napięciu w kierunku zaporowym,

Dopuszczalne (graniczne) parametry:

·        maksymalny prąd przewodzenia – I0;

·        szczytowe napięcie wsteczne – URWM;

·        parametr przeciążeniowy – I2t, podawany dla diod mocy.

Diody prostownikowe wykonuje się głównie z krzemu. Wartość prądu płynącego przez diodę spolaryzowaną w kierunku przewodzenia jest 106 – 108 razy większa od wartości prądu w kierunku zaporowym.

Diody prostownikowe ze względu na wydzielaną w nich moc dzielimy na:

·        małej mocy – (>1 W),

·        średniej mocy – (1 – 10W),

·        dużej mocy – (<10 W),

a)                                               b)

c)                                                                                                 

Rys. 1.3. Dioda prostownikowa.

a)     symbol diody prostownikowej, b) charakterystyka prądowo – napięciowa diody prostowniczej – rzeczywista, c) charakterystyka prądowo – napięciowa diody prostownikowej – aproksymująca.

Gdzie: URWM – maksymalne napięcie wsteczne, UF – napięcie przewodzenia, I0 – maksymalny prąd przewodzenia.

Diody, przez które płynie prąd o wartości większej niż 10 A mają radiator, który odprowadza wydzielane ciepło do otoczenia. Gdy zastosowanie radiatora jest niewystarczające wtedy należy diodę chłodzić wymuszonym opływem powietrza, a nawet specjalną cieczą. Jeżeli chcemy uzyskać większy prąd przewodzenia przy tym samym napięciu, to możemy połączyć diody równolegle. Jeśli chcemy mieć dodatkowo jednakowe prądy płynące przez poszczególne diody, to do każdej z nich dołączamy szeregowo rezystor o niewielkiej wartości. Jeśli chcemy zwiększyć napięcie wsteczne przy tym samym prądzie, to w miejsce jednej diody wstawiamy kilka diod połączonych szeregowo.

1.2. DIODY STABILIZACYJNE (STABILITRONY) – DIODY ZENERA

Diody Zenera to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczenia napięcia. Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu. Diody te stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach amplitudy, w układach źródeł napięcia odniesienia itp.

Parametry charakteryzujące diody stabilizacyjne:

·        napięcie stabilizacji - UZ,

·        prąd stabilizacji – IZ,

·        napięcie przewodzenia – UF, przy określonym prądzie przewodzenia,

·        prąd wsteczny diody – IR, przy określonym napięciu wstecznym,

·        rezystancja dynamiczna – rZ, której wartość zmienia się w zależności od napięcia stabilizacji:

;

Rezystancja dynamiczna zależy od wartości napięcia stabilizacji i prądu stabilizacji. Wynosi ona od kilku do kilkudziesięciu omów. Minimalną rezystancję dynamiczną mają diody o napięciu stabilizacji UZ = 6 ¸ 8 V.

·        temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji – αUz,

                    ;

Zależy od napięcia stabilizacji. Ma wartość ujemną dla diod z            przebiciem Zenera (UZ < 5 V), a dodatnią dla diod z przebiciem lawinowym (UZ > 7 V).

a)                                                                      b)                                          c)                                         

                  d)
 

                                     Rys. 1.4. Dioda stabilizacyjna:

a) symbol diody stabilizacyjnej, b) Schemat zastępczy.

c) Schemat stabilizatora napięcia z diodą stabilizacyjną.

d) Charakterystyka prądowo – napięciowa diody stabilizacyjnej.

Przy czym UZ – napięcie stabilizacji, UF – napięcie przewodzenia, IR – prąd wsteczny,

rZ – rezystancja dynamiczna.

1.3. DIODY POJEMNOŚCIOWE

Diody pojemnościowe (warikapy i waraktory) pracują przy polaryzacji zaporowej, charakteryzując się zmienną pojemnością w funkcji przyłożonego napięcia. Stosowane w układach powielania częstotliwości, modulacji częstotliwości, we wzmacniaczach parametrycznych i w układach strojenia obwodów rezonansowych wysokiej częstotliwości za pomocą napięcia.

Warikapy stosuje się do przestrajania obwodów rezonansowych. Waraktory natomiast stosuje się w układach parametrycznych, we wzmacniaczach lub powielaczach częstotliwości oraz układach mikrofalowych. Ze względu na małe wymiary, dużą wytrzymałość na udary i małą zależność od zmian temperatury, mogą one w wielu przypadkach zastąpić kondensatory zmienne lub ceramiczne.

              a)                                                                      b)

Rys. 1.5. Dioda pojemnościowa.

a) symbol diody pojemnościowej, b) charakterystyka pojemnościowo – napięciowa diody pojemnościowej.

Gdzie: URWM – maksymalne napięcie wsteczne, Cmax – pojemność określona przy minimalnym napięciu, Cmin – pojemność określona przy maksymalnym napięciu.

Parametry charakteryzujące diody pojemnościowe.

·        pojemność złącza – Cj, przy określonym napięciu wstecznym;

·        stosunek pojemności minimalnej – Cmin do maksymalnej – Cmax;

·        maksymalna częstotliwość – fc .

1.4. DIODY PRZEŁĄCZAJĄCE

Do diod przełączających (impulsowych) zliczamy diody: tunelowe, ładunkowe, ostrzowe, Schottky’ego....