ДІОДИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ
Сьогодні в «сімейство» діодів входить не один десяток напівпровідникових приладів, що носять назву «діод». Тут мова піде лише про деяких приладах, з якими тобі в першу чергу доведеться мати справу.
Схематично діод можна уявити, як дві пластинки напівпровідника, одна з яких має електропровідність типу p, а інша - типу n. На рис. 74, а дірки, що переважають в платівці типу p, умовно зображені кружками, а електрони, що переважають в платівці типу n - чорними кульками таких же розмірів. Ці дві області - два електроди діода: анод і катод. Анодом, тобто позитивним електродом, є область типу р, а катодом, т. е. негативним електродом, - область типу n. На зовнішні поверхні пластин нанесені контактні металеві шари, до яких припаяні дротові висновки електродів діода.
Такий напівпровідниковий прилад може перебувати в одному з двох станів: відкритому, коли він добре проводить струм, і закритому, коли він погано проводить струм. Якщо до його електродів підключити джерело постійного струму, наприклад, гальванічний елемент, але так, щоб його позитивний полюс був з'єднаний з анодом діода, т. Е. З областю типу p, а негативний - з катодом, т. Е. З областю типу n (рис. 74, б), то діод виявиться у відкритому стані і в утворилася ланцюга піде струм, значення якого залежить від прикладеної до нього напруги і властивостей діода. При такій полярності підключення батареї електрони в області типу n переміщаються від мінуса до плюса, т. Е. В сторону області типу p, а дірки в області типу p рухаються назустріч електронів - від плюса до мінуса. Зустрічаючись на кордоні областей, званої електронно-дірковий переходом або, коротше, p-n переходом, електрони як би «встрибують» в дірки, в результаті і ті, і інші при зустрічі припиняють своє існування. Металевий контакт, з'єднаний з негативним полюсом елемента, може віддати області типу n практично необмежену кількість електронів, поповнюючи спад електронів в цій області, а контакт, з'єднаний з позитивним полюсом елемента, може прийняти з області типу p така ж кількість електронів, що рівнозначно введенню в нього відповідної кількості дірок.
Мал. 74. Схематичне пристрій і робота напівпровідникового діода
У цьому випадку опір р-n переходу мало, внаслідок чого через діод йде струм, званий прямим струмом. Чим більше площа р-n переходу і напруга джерела живлення, тим більше цей прямий струм.
Якщо полюси елемента поміняти місцями, як це показано на рис. 74, в, діод виявиться в закритому стані. В цьому випадку електричні заряди в діоді поведуть себе інакше. Тепер, віддаляючись від р-n переходу, електрони в області типу n будуть переміщатися до позитивного, а дірки в області типу p - до негативного контактам діода. В результаті межа областей з різними типами електропровідності як би розшириться, утворюючи зону, обедненную електронами і дірками (на рис. 74, в вона заштрихована) і, отже, відчутно допомагає току дуже великий опір. Однак в цій зоні невеликий обмін носіями струму між областями діода все ж буде відбуватися. Тому через діод піде струм, але у багато разів менший, ніж прямий. Цей струм називають зворотним струмом діода.
На графіках, що характеризують роботу діода, прямий струм позначають, а зворотний.
А якщо діод включити в ланцюг зі змінним струмом? Він буде відкриватися при позитивних напівперіодах на аноді, вільно пропускаючи струм одного напрямку - прямий струм, і закриватися при негативних напівперіодах на аноді, майже не пропускаючи струм протилежного напрямку - зворотний струм. Ці властивості діодів і використовують в випрямлячах для перетворення змінного струму в постійний струм.
Напруга, при якому діод відкривається і через нього йде прямий струм, називають прямим (пишуть) або пропускним, а напруга зворотної полярності, при якому діод закривається і через нього йде зворотний струм, називають зворотним (пишуть) або непропускним. При прямій напрузі опір діода хорошої якості не перевищує декількох десятків ом, при зворотному ж напрузі його опір досягне десятків, сотень кіло і навіть мега. У цьому неважко переконатися, якщо зворотне опір діода виміряти омметром.
Внутрішній опір відкритого діода - величина непостійна і залежить від прямого напруги, прикладеного до діода: чим більше це напруга, тим більше прямий струм через діод, тим менше його пропускне опір. Судити про опір діода можна по падінню напруги на ньому і току через нього. Так, наприклад, якщо через діод йде прямий струм Іпр = 100 мА (0,1 А) і при цьому на ньому падає напруга 1 В, то (згідно із законом Ома) пряме опір діода буде: R = U / I = 1/0 , 1 = 10 Ом.
У закритому стані на діоді падає майже все прикладається до нього напруга, зворотний струм через нього надзвичайно малий, а опір, отже, велике.
Залежність струму через діод від значення і полярності прикладеної до нього напруги зображують у вигляді кривої, яку називають вольт-амперної характеристикою діода. Таку характеристику ти бачиш на рис. 75. Тут по вертикальній осі вгору відкладені значення прямого струму I пр, а внизу - зворотного струму Iобр. По горизонтальній осі вправо позначені значення прямого напруги Uпp, вліво - зворотної напруги Uобр.
На такий вольт-амперної характеристики розрізняють пряму гілку (у правій верхній частині), відповідну прямому струму через діод, і зворотний гілка, відповідну зворотному току, З неї видно, що струм Іпр діода в сотні разів більше струму Iобр.
Мал. 75. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода
Мал. 76. Схематичне пристрій (а) і зовнішній вигляд деяких площинних діодів (б)
Так, наприклад, вже при прямій напрузі Uпp = 0,5B ток Іпр дорівнює 50 мА (точка а на характеристиці), при Uпp = 1 В он зростає до 150 мА (точка б на характеристиці), а при зворотному напрузі Uобр = 100 В зворотний струм Iобр не перевищує 0,5 мА (500 мкА). Підрахуй, у скільки разів при одному і тому ж прямому і зворотному напрузі прямий струм більше зворотного.
Пряма гілка йде круто вгору, як би притискаючись до вертикальної осі. Вона характеризує швидке зростання прямого струму через діод зі збільшенням прямого напруги. Зворотній ж гілка, як бачиш, йде майже паралельно горизонтальній осі, характеризуючи повільне зростання зворотного струму. Наявність помітного зворотного струму - недолік діодів.
Приблизно такі вольт-амперні характеристики мають всі германієві діоди. Вольт-амперні характеристики кремнієвих діодів трохи зміщені вправо. Пояснюється це тим, що германієвого діод відкривається і починає проводити струм при прямій напрузі 0,1-0,2 В, а кремнієвий при 0,5-0,6 В.
Прилад, на прикладі якого я розповів тобі про властивості діода, складався з двох пластин напівпровідників різної електропровідності, з'єднаних між собою площинами. Подібні діоди називають площинними. Насправді ж площинний діод являє собою одну пластину напівпровідника, в обсязі якої створені дві області різної електропровідності. Технологія виготовлення таких діодів полягає в наступному. На поверхні квадратної пластини площею 2-4 мм2 і товщиною в кілька часток міліметра, вирізаної з кристала напівпровідника з електронною електропровідністю, розплавляють маленький шматочок індію. Індій міцно сплавляється з пластинкою. При цьому атоми індію проникають (дифундують) в товщу пластинки, утворюючи в ній область з переважанням діркової електропровідності (рис. 76, а). Виходить напівпровідниковий прилад з двома областями різного типу електропровідності, а між ними р-n перехід. Контактами електродів діода служать крапелька індію і металевий диск (або стрижень) з похідними провідниками.
Так влаштовані найбільш поширені площинні германієві і кремнієві діоди. Зовнішній вигляд деяких з них показаний на рис. 76, б. Прилади укладені в суцільнометалеві корпусу зі скляними ізоляторами, що дозволяє використовувати їх для роботи в умовах підвищеної вологості. Діоди, розраховані на значні прямі струми, мають гвинти з гайками для кріплення їх на монтажних панелях або шасі радіотехнічних пристроїв.
Площинні діоди маркуються буквами і цифрами, наприклад: Д226А, Д242. Буква Д в маркуванні приладу означає «діод», цифри, наступні за нею, - заводський порядковий номер конструкції. Букви, які стоять в кінці позначення діодів, вказують на різновиди груп приладів. Площинні діоди призначені в основному для роботи в випрямлячах змінного струму блоків живлення радіоапаратури, тому їх називають ще випрямними діодами.
Конструювання блоків живлення радіотехнічних пристроїв буде присвячена спеціальна бесіда - одинадцята. Зараз же я познайомлю тебе тільки з принципом перетворення змінного струму в постійний струм.
Схему найпростішого випрямляча змінного струму ти бачиш на рис. 77, а.
Чи можна таким струмом живити навантаження? Можна, адже він випрямленний.
Але не кожну. Лампу розжарювання, наприклад, можна, якщо, звичайно, вихідна напруга не перевищуватиме ту напругу, на яке лампа розрахована. Її нитка буде розжарюються НЕ портоянно, а імпульсами, що випливають із частотою 50 Гц. Через теплової інертності нитка не буде встигати остигати в проміжки між імпульсами, тому ніяких мерехтінь світла ми не помітимо,
У випрямлячі, з роботою якого ти зараз познайомився, корисно використовується енергія тільки половини хвиль змінного струму.
Мал. 77. Схеми однополупериодного випрямляча
Мал. 78. Двухполуперіодний випрямляч з мережевим трансформатором
Таке випрямлення змінного струму називають однополуперіодним, а випрямлячі - однополуперіодним випрямлячами. Однак випрямлячів, побудованим за такими схемами, притаманні два суттєвих недоліки. Перший з них полягає в тому, що напруга випрямленого струму дорівнює приблизно напрузі мережі, в той час як для харчування транзисторних конструкцій необхідно більш низьку напругу, а для лампових часто більш високу напругу. Другий не достаток - неприпустимість приєднання заземлення до приймача, який живиться від такого випрямляча. Якщо приймач заземлити, ток з електромережі піде через приймач в землю - можуть перегоріти запобіжники. Крім того, приймач або підсилювач, що живляться від такого випрямляча і, таким чином, мають прямий контакт з електромережею, небезпечні - можна отримати електричний удар.
Обидва ці нестачі усунені у випрямлячі з трансформатором (рис. 78). Тут випрямляється НЕ напруга електромережі, а напруга вторинної (II) обмотки мережевого трансформатора Т. Оскільки ця обмотка ізольована від первинної мережевої обмотки I, радіоконструкцій не має контакту з мережею і до неї можна підключати заземлення.
У випрямлячі на рис. 78 чотири діода, включені по так званій мостовій схемі. Діоди є плечима випрямного моста. Навантаження RH включена в діагональ 1-2 моста. В такому випрямлячі протягом кожного напівперіоду працюють по черзі два діода протилежних плечей моста, включених між собою послідовно, але зустрічно по відношенню до другої пари діодів. Стеж уважно! Коли на верхньому (за схемою) виведення вторинної обмотки позитивний напівперіод напруги, струм йде через діод V2, навантаження RH, діод V3 до нижнього висновку обмотки II (графік а). Діоди V1 і V4 в цей час закриті. Протягом другого напівперіоду змінної напруги, коли плюс на нижньому виведення обмотки II, ток йде через діод V4, навантаження RH, діод V1 до верхнього висновку обмотки (графік б). В цей час діоди V2 і V3 закриті і, природно, струм через себе не пропускають. І ось результати: змінюються знаки напруги на висновках вторинної обмотки трансформатора, а через навантаження випрямляча йде струм одного напрямку (графік в). В такому випрямлячі корисно використовуються обидва напівперіоду змінного струму, тому подібні випрямлячі називають двухполуперіодним.
Ефективність роботи двухполуперіодного випрямляча в порівнянні з однополуперіодним наявності: частота пульсацій випрямленого струму подвоїлася, «провали» між імпульсами зменшилися. Середнє значення напруги постійного струму на виході такого випрямляча дорівнює приблизно змінній напрузі, що діє у всій вторинної обмотці трансформатора. А якщо випрямляч доповнити фільтром, що згладжує пульсації випрямленої струму, вихідна напруга збільшиться в 1,4 рази. т. е. приблизно на 40%. Саме такий випрямляч я пізніше буду рекомендувати тобі для харчування транзисторних конструкцій.
Тепер про точковому діоді.
Зовнішній вигляд одного з таких приладів і його пристрій (в значно збільшеному вигляді) показані на рис. 79. Це діод серії Д9.
Мал. 79. Схематичне пристрій і зовнішній вигляд точкового діода серії Д9
Буква «Д» в його маркуванні означає діод, а цифра 9 - порядковий заводський номер конструкції. Такий або йому подібний діод, наприклад Д2, тобі вже знаком - я рекомендував використовувати його в твоєму першому приймачі в якості детектора. Випрямним елементом діода служать тонка і дуже маленька (площею близько 1 мм 2) пластина напівпровідника германію або кремнію типу n і вольфрамова зволікання, що впирається гострим кінцем в пластину. Вони припаяні до відрізків посрібленою дроту довжиною приблизно по 50 мм, які є висновками діода. Вся конструкція знаходиться всередині скляної трубочки діаметром близько 3 і довжиною менше 10 мм, запаяній з кінців. Після складання діод формують - пропускають через контакт між пластиною напівпровідника і вістрям вольфрамової зволікання ток певного значення. При цьому під вістрям зволікання в кристалі напівпровідника утворюється невелика область з доречний електропровідністю. Виходить електронно-дірковий перехід, що володіє однобічну провідність струму. Пластина напівпровідника є катодом, а вольфрамова зволікання - анодом точкового діода.
Висновок анода діодів серії Д9 позначають кольоровими мітками на їх корпусах. Електроди точкового діода серії Д2 позначають символом діода на одному з його стрічкових висновків. У точкового діода площа зіткнення вістря дротика з поверхнею пластини напівпровідника надзвичайно мала - не більше 50 мкм2. Тому струми, які точкові діоди можуть випрямляти протягом тривалого часу, малі. Точкові діоди радіоаматори використовують в основному для детектування модульованих коливань високої частоти, тому їх часто називають високочастотними діодами. Про принцип роботи точкового діода як детектора ти вже знаєш з четвертої бесіди.
Як для площинних, так і для точкових діодів існують максимально допустимі значення прямого і зворотного струмів, що залежать від прямого і зворотного напруги і визначають їх випрямні властивості та електричну міцність. Це їх основні параметри. Площинний діод Д226В, наприклад, може тривалий час випрямляти струм до 300 мА. Але якщо його включити в ланцюг, що споживає струм більше 300 мА, він буде нагріватися, що неминуче призведе до теплового пробою р-n переходу і виходу діода з ладу. Діод буде пробитий і в тому випадку, якщо він виявиться в ланцюзі, в якій на нього буде подаватися зворотна напруга більш ніж 400 В. Допустимий випрямлений струм для точкового діода Д9А 65 мА, а допустимий зворотна напруга 10 В. Основні параметри напівпровідникових діодів вказують в їх паспортах та довідкових таблицях. Перевищення граничних значень призводить до виходу приладів з ладу.
Основні параметри найбільш поширених точкових і площинних напівпровідникових діодів ти знайдеш в додатку 6.
А тепер, щоб краще закріпити, в пам'яті твоє уявлення про властивості діодів, пропоную провести такий досвід. В електричне коло, складену з батареї 3336Л і лампочки розжарювання, розрахованої на напругу 3,5 В і струм напруження 0,28 А, включи будь площинний діод з серії Д226 або Д7, але так, щоб анод діода був з'єднаний безпосередньо або через лампочку з позитивним висновком батареї, а катод - з негативним висновком (рис. 80, а). Лампочка повинна горіти майже так само, як якби діода не було в ланцюзі. Зміни порядок включення електродів діода в ланцюг на зворотний (рис. 80, б). Тепер лампочка горіти не повинна. А якщо горить, значить, діод виявився з пробитим р-n переходом. Такий діод можна розламати, щоб подивитися, як він влаштований, - для роботи як випрямляч він все одно непридатний. Але, сподіваюся, діод був хорошим і спроба вдалася.
Чому при першому включенні діода в ланцюг лампочка горіла, а при другому не горіла? У першому випадку діод був відкритий, так як на нього подавалося пряме напруга Uпp, опір діода було мало і через нього протікав прямий струм Іпр, значення якого визначалося навантаженням ланцюга - лампочкою.
Мал. 80. Досліди з площинним діодом
У другому випадку діод був закритий, так як до нього прикладалася зворотна напруга Uобp, що дорівнює напрузі батареї. Опір діода було дуже велике, і в ланцюзі тек лише незначний зворотний струм Iобp, який не міг загострити нитка лампочки.
У цьому досвіді лампочка виконувала подвійну функцію. Вона, по-перше, була індикатором наявності струму в ланцюзі, а по-друге, обмежувала струм в ланцюзі до 0,28 А і таким чином захищала діод від перевантаження.