Diody

Dioda półprzewodnikowa to przyrząd o dwu wyprowadzeniach, mający niesy­metryczną charakterystykę prądowo-napięciową, analogiczną do charakterystyki złącza p-n. Powyższe określenie nie dotyczy wyjątków takich, jak diody Gunna i diody z podwójną bazą.

Wyprowadzenia diod nazywane są tradycyjnie anodą i katodą. Przy spolary­zowaniu anody napięciem dodatnim względem katody diody silnie przewodzą prąd. Jest to polaryzacja w kierunku przewodzenia. Przy polaryzacji przeciwnej, zaporowej, diody przewodzą natomiast bardzo słabo. Wyjątek od powyższej reguły mafmiejsce w diodach stabilizacyjnych, wstecznych, tunelowych oraz w zakresie przebicia wszystkich diod.

[Rozróżnia się następujące rodzaje diod półprzewodnikowych: prostownicze, stabilizacyjne, sygnałowe, pojemnościowe, fotodiody, elektroluminescencyjne, inne (tunelowe, Gunna itd.).

DIODY PROSTOWNICZE

PODSTAWOWE OKREŚLENIA I CHARAKTERYSTYKI

Diody prostownicze to grupa diod przeznaczonych do prostowania napięcia lub prądu zwłaszcza o częstotliwości sieci energetycznej.

Półprzewodnikowe diody prostownicze dzieli się ze względu na wartość do­puszczalnego prądu przewodzenia na:

1) diody małej mocy ?gdy 7Fmax ^ l A,

2) diody średniej mocy ? gdy l A < IFmn ^ 10 A,

3) diody dużej mocy ?gdy IFmn > 10 A.

Diody dużej mocy wytrzymujące napięcia wsteczne (zaporowe) rzędu kilkuset woltów i większe znane są jako energetyczne. Wśród diod prostowniczych wyróżnia

się również grupę diod wysokonapięciowych, wytrzymujących napięcia wsteczne docho­dzące dla niektórych typów nawet do 150 kV.

Diody prostownicze wykonuje się z krzemu i germanu. Ich obszar roboczy stanowi pojedyncze złącze p-n, z wyjątkiem diod wysokonapięciowych, których obszar roboczy stanowi stos złączy ułożonych w obudowie w ten sposób, że obszar typu p niższego złącza styka się z obszarem typu n wyższego złącza. Stosuje się również diody ze złączem m-p (Schotky’ego). Diody prostownicze, z wyjątkiem wysokonapięciowych, mają z reguły obudowy metalowe połączone galwanicznie z katodą lub anodą (rys. 4.1).

Diody z obudową połączoną galwanicznie z anodą są specjalnie oznakowywane (litera R na końcu symbolu). Diody wysokonapięciowe są wykonywane w obudowach cera­micznych lub plastykowych. Charakterystyki statyczne diod prostowniczych mają typowy przebieg, zilu­strowany na rys. 4.2. Spadek napięcia w kierunku przewodzenia jest największy w dio­dach krzemowych, najmniejszy zaś w diodach germanowych. Przebicie diod germanowych występuje przy znacznie niższym napięciu niż diod krzemowych. Przebicie jest oczywiście niedopuszczalne w normalnych warunkach pracy i dlatego często diody prostownicze opisuje się charakterystyką statyczną dla zakresu przewodzenia. Kształt charakterystyki przewodzenia (rys. 4.3) jest uwarunkowany właści­wościami złącza. Gdyby rezystancja szeregowa złączy, tj. rezystancja obszarów przyległych do warstwy przejściowej i doprowadzeń była pomijalnie mała, to charaktery­styka przewodzenia diody byłaby opisywana wzorem

gdzie 7S ? prąd nasycenia diody, tj. prąd wsteczny przy niewielkim napięciu wstecznym (kilka woltów). Jest to tzw. charakterystyka idealnej diody, nie mającej rezystancji szeregowej. W rzeczywistości mamy zawsze do czynienia z szeregowym połączeniem diody idealnej i pewnej rezystancji (rs) (rys. 4.4). Prąd przewodzenia diody (Tp) daje spadek napięcia na tej rezystancji, w związku z czym napięcie przewodzenia diody (C/F) jest większe od wartości, o jaką zmniejsza się bariera potencjału diody

W diodach prostowniczych przy dużych prądach przewodzenia już niewielka rezystancja szeregowa prowadzi do znacznego wzrostu napięcia przewodzenia i linea-ryzacji charakterystld. Nachylenie charakterystyki jest w dużym stopniu uwarunkowane wartością rezystancji szeregowej. Odwrotnością nachylenia jest rezystancja różniczkowa (/>), która wynosi

UKŁADY PRACY I PARAMETRY DIOD PROSTOWNICZYCH

Prostownik jednofazowy jednopolówkowy do lądowania akumulatorów Dioda prostownicza jest łączona w układzie szeregowo z akumulatorem (rys. 4.5). Taka gałąź jest zasilana z uzwojenia wtórnego transformatora. Dioda przewodzi impulsowo, co okres napięcia zasilania, w przeciągu czasu kiedy wartość chwilowa napięcia diody (mc) jest dodatnia i większa od napięcia progowego (C/r)-

Może ona osiągać duże wartości, lecz nie może przekraczać maksymalnego dopuszczal­nego dla danej diody szczytowego prądu przewodzenia (IFRM)

Nieprzestrzeganie tego ograniczenia mogłoby bowiem zmniejszyć niezawodność pracy diody. Wartość amplitudy impulsu prądu przewodzenia diody jest zależna od wartości amplitudy napięcia zasilającego (CĄm), od wartości napięcia akumulatora (UA) oraz od kształtu charakterystyki przewodzenia diody

Przez większą część okresu napięcia prostowanego dioda nie przewodzi, gdyż jest spolaryzowana zaporowo. Wartość maksymalnego napięcia wstecznego diody jest bliska podwójnej wartości amplitudy napięcia prostowanego

Dla bezpieczeństwa diody maksymalne napięcie wsteczne nie powinno przekraczać wartości maksymalnego dopuszczalnego dla danej diody szczytowego napięcia pracy

W wyniku prostującego działania diody przepływa przez nią składowa stała prądu (70), która jest średnim prądem wyprostowanym, ładującym akumulator. Wartość tego prądu zależy od amplitudy oraz czasu trwania impulsów prądowych. Musi ona być jednak mniejsza od dopuszczalnego średniego prądu wyprostowanego {A) max). gdyż inaczej może nastąpić przegrzanie diody

Wartość parametru /Omax jest zależna od temperatury otoczenia w bezpośrednim sąsiedztwie diody, podobnie jak moc admisyjna (rys. 4.7).

Prostownik dwufazowy jednopolówkowy do zasilania układów elektronicznych Przykładowo zostanie opisany prostownik z prostym pojemnościowym filtrem dolnoprzepustowym i obciążeniem rezystancyjnym (rys. 4.8). Diody są łączone anodami z końcówkami uzwojenia wtórnego transformatora,, którego środek jest połączony z zaciskiem ujemnym wyjścia prostownika. Katody diod są połączone ze sobą i z za­ciskiem dodatnim wyjścia prostownika. Diody przewodzą kolejno (rys. 4.9), każda raz na okres napięcia prostowanego, w momencie gdy potencjał anody przewyższa potencjał katody i jest większy od napięcia progowego (UT). Narażenie prądowe i napięciowe diod jest tu analogiczne jak w pros­towniku jednofazowym jednopołówkowym, z tym że każda z diod daje połowę prądu

wyprostowanego, tj. w każdej diodzie wydziela się dwa razy mniejsza moc od traconej w diodzie poprzedniego prostownika

Prostownik jednofazowy mostkowy W prostowniku mostkowym diody łączy się w tzw. mostek Graetza (rys. 4.10). Każda z diod przewodzi raz na okres napięcia prostowanego w ciągu krótkiego czasu, podobnie jak w poprzednich prostownikach. Jednocześnie zawsze przewodzą dwie

diody; w ciągu jednego półokresu napięcia prostowanego przewodzą diody Dl i D2, natomiast w ciągu drugiego ? diody D3 i D4. Maksymalne napięcie wsteczne oraz prąd przewodzenia diod wynoszą

Moc tracona w każdej diodzie jest taka sama jak w diodzie prostownika dwufazowego jednopołówkowego. Prostownik jednofazowy z podwajaniem (rys. 4.11) Dioda Dl przewodzi w czasie dodatniego półokresu napięcia prostowanego, dioda D2 zaś w czasie półokresu ujemnego, podobnie jak w prostowniku dwufazowym. Jeżeli obciążenie jest małe, tj. rezystancja obciążenia R0 jest dostatecznie duża, to obie pojemności ładują się do napięcia bliskiego amplitudzie napięcia wyjściowego transfor­matora, a w takim przypadku napięcie wyprostowane wynosi

Diody w powielaczu są narażone jedynie napięciowo, gdyż powielacz napięcia stosuje się przy zasilaniu bardzo słaboprądowym. Narażenie napięciowe diod jest tu takie same jak w prostowniku jednopołówkowym jednofazowym. Wyjściowe napięcie wyprostowane powielacza może być zdejmowane z zacis­ ków a, b, c, d, … lub e, f, g…… W zależności od tego, które z zacisków wyjściowych są wykorzystywane, uzyskuje się napięcie wyprostowane o wartości równej parzystej lub nieparzystej wielokrotności amplitudy napięcia prostowanego, przy tym krotność powielania jest równa liczbie diod znajdujących się pomiędzy zaciskami wyjściowymi. Prostowniki trójfazowe oraz problemy wykorzystania diod dużej mocy (rys. 4.13) Diody prostowników trójfazowych mają narażenia o charakterze zbliżonym do występujących w odpowiedniku jednofazowym. Specyfika tego zastosowania diod wynika z wartości przetwarzanych mocy i kosztów diod, które wielokrotnie przekra­czają wielkości odnoszące się do diod małej mocy. Nakazem racjonalności w zastosowaniach diod dużej mocy jest staranny dobór diod, które obok należytych parametrów technicznych muszą charakteryzować się także odpowiednio małymi ich rozrzutami, tj. diody wykorzystywane w danym pros­towniku muszą być nie tylko wysokiej jakości, lecz również poszczególne egzemplarze powinny być identyczne. Zbytnie rozrzuty charakterystyk przewodzenia powodują wzrost tętnień napię­cia wyjściowego i pojawienie się tętnień o częstotliwości napięcia prostowanego. Zbyt duże rozrzuty charakterystyk w zakresie zaporowym są^szczególnie szkodliwe w prostowniku mostkowym. Powodują one zwiększone narażenie napięciowe lepszych diod (diod o mniejszym prądzie wstecznym). Ilustruje to rys. 4.14. W prostownikach dużej mocy powinny być również identyczne charakterystyki przełączania diod danego prostownika (rys. 4.15).

Charakterystyką przełączania nazywamy przebieg prądu diody w warunkach przełączania od stanu przewodzenia, w którym dioda przewodzi określony prąd IF, do stanu zaporowego, w którym jest ona spolaryzowana określonym napięciem wstecz­nym UR. Dla diod energetycznych typu BYlO-^-200 charakterystyki przełączania określa się przy przełączaniu od stanu przewodzenia z prądem If = 3 I0m^ do stanu zaporowego z UR = URWM. Charakterystyka przełączania ma przebieg dający się określić za pomocą dwóch

parametrów (tablica 4.1): czasu ustalania charakterystyki wstecznej (t?) i ładunku przełączania (gs)

W przypadku stosowania diod łączonych szeregowo, jak np. w mostku Graetza, zaleca się dla zniwelowania wpływu różnic w parametrach diod bocznikowanie ich identycznymi ogniwami rezystancyjno-pojemnościowymi (rys. 4.16). Boczniki RC dobiera się tak, by:

prąd płynący przez rezystancję R przy maksymalnym napięciu wstecznym był kilka- krotnie większy od maksymalnego prądu wstecznego diody, 2) stała czasowa t = RC była kilkakrotnie większa od czasu ustalania charaktery- styki wstecznej. Parametry techniczne diod prostowniczych Najważniejsze parametry techniczne diod prostowniczych zostały zestawione w tablicy 4.2. W tablicy 4.3 podano przykładowe zestawienie wartości parametrów wybranych diod prostowniczych produkcji krajowej.

DIODY STABILIZACYJNE
OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA
Diody stabilizacyjne, nazywane również stabilitronami półprzewodnikowymi, stabilistorami i diodami Zenera, mają odcinek charakterystyki prądowo-napięciowej w zakresie zaporowym o dużej stromości narastania prądu (rys. 4.17).

Obecnie diody stabilizacyjne są wytwarzane wyłącznie z krzemu. Ich konstruk­cja mechaniczna jest analogiczna do konstrukcji diod prostowniczych. Zbliżone do krzemowych diod prostowniczych są również charakterystyki prądowo-napięciowe dla kierunku przewodzenia. Analogicznie też jak diody prostownicze dzieli się je ze względu na moc znamionową na grupy:

Parametrami diod stabilizacyjnych są następujące wielkości: Uz ? napięcie stabilizacji. Jest to spadek napięcia na diodzie w zakresie stabilizacji, przy przepływie określonego prądu, zwykle o wartości rzędu dziesiątej części maksymalnego prądu stabilizacji; rz ?rezystancja dynamiczna w zakresie stabilizacji, zwykle w punkcie (C/z,/z)

fzmai?maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji, tj. maksymalna dopuszczalna wartość prądu w zakresie stabilizacji

max ? maksymalna dopuszczalna moc admisyjna przy pracy w zakresie stabilizacji (rys. 4.18);

UF,Ip, Rtll, TJmn, Tamb, Tstg ? analogiczne do podawanych dla diod prostowniczych; f f mu?maksymalny dopuszczalny prąd przewodzenia. Ponadto niektórzy producenci podają dodatkowo pojemność diody i tolerancje napięcia stabilizacji, rezystancji dynamicznej i Przy wykorzystaniu diod stabili­zacyjnych należy oprócz ich parametrów uwzględniać ich osobliwość ? występowanie

znacznych szumów przy pracy w pobliżu zakrzywienia charakterystyki prądowo-na-pięciowej w zakresie wstecznym. W obliczeniach inżynierskich diody stabilizacyjne zwykle zastępuje się modelem odpowiadającym odcinkami liniowej aproksymacji charakterystyki prądowo-napięcio-wej tych diod (rys. 4.19). Przykładowy zestaw wartości podstawowych parametrów wybranych krajo­wych diod stabilizacyjnych został podany w tablicy 4.4.

ZASTOSOWANIE DIOD STABILIZACYJNYCH

Stabilizator napięcia i ogranicznik Stabilizator diodowy wymaga użycia dwóch elementów ? diody stabilizacyjnej i rezystora (rys. 4.20). Napięcie wyjściowe takiego stabilizatora powtarza napięcie

wejściowe, gdy jest ono mniejsze od napięcia stabilizacji. Gdy zaś napięcie wejściowe jest większe od napięcia stabilizacji napięcie wyjściowe jest równe napięciu stabilizacji

Układ z rys. 4.20 może być również stosowany jako ogranicznik poziomu. Zasilanie układów elektronicznych poprzez stabilizator diody zabezpiecza je równo­cześnie przed przypadkowym włączeniem napięcia zasilania o odwrotnej biegunowości. W takim przypadku napięcie zasilające układ zmniejszy się do wartości ? UF. Przesuwnik poziomu W przypadku konieczności łączenia kaskadowego stopni wzmacniaczy, których napięcia spoczynkowe (wejściowe i wyjściowe) znacznie różnią się między sobą, dioda stabilizacyjna może być użyta do zniwelowania tej różnicy. W przykładzie przedsta­wionym na rys. 4.21 dzięki spadkowi napięcia na diodzie stabilizacyjnej D2 uzyskuje się przesunięcie poziomu napięcia stałego niezależne od sygnału roboczego układu. Druga dioda stabilizacyjna (Dl) występująca w układzie spełnia funkcję stabi­lizatora napięcia bazy tranzystora T2, które jest napięciem odniesienia dla wzmacniacza różnicowego pracującego na tranzystorach Tl i T2.

Źródlo o stalej wydajności prądowej Dioda stabilizuje spadek napięcia na rezystorze R w obwodzie emiterowym tranzystora (rys. 4.22). Prąd emitera tranzystora w takiej sytuacji jest niezależny od napięcia kolektora. Jeżeli więc tranzystor pracuje w zakresie aktywnym, w którym prąd kolektora jest prawie równy prądowi emitera, to prąd wyjściowy układu jest niezależny od obciążenia i napięcia zasilania.

DIODY SYGNAŁOWE

CHARAKTERYSTYKA DIOD SYGNAŁOWYCH

Do grupy diod sygnałowych zalicza się diody krzemowe i germanowe ze złączem p-n lub m-p o małych powierzchniach, przeznaczone przede wszystkim do przełączania

i prostowania w układach małej mocy, detekcji amplitudowej, dyskryminacji itp. Obudów^’ tych diod wykonuje się ze szkła lub plastyku w postaci wydłużonej perełki, -walca lub prostopadłościanu (rys. 4.23). Wyprowadzenia wykonuje się z drutu lub taśmy metalowej w postaci wygodnej do przylutowania na laminacie foliowanym .miedzią podobnie jak rezystory małej mocy. Odmienną budowę mają jedynie diody na zakres mikrofalowy, które wykonuje się w obudowach ceramicznych z wyprowadzeniami dostosowanymi do potrzeb techniki mikrofalowej. Charakterystyki prądowo-napięciowe diod sygnałowych są analogiczne do charakterystyk diod prostowniczych, z tym że rozciągają się one na mniejsze prądy przewodzenia i napięcia wsteczne. Znamienne jest również to, że spadek napięcia -w kierunku przewodzenia na diodach sygnałowych ze złączem ostrzowym m-p jest .zwykle ponad dwukrotnie większy niż na diodach prostowniczych. Różnice pomiędzy diodami sygnałowymi i prostowniczymi wywodzą się przede ?wszystkim z tego, że diody sygnałowe mają znacznie mniejsze powierzchnie złącza. Dzięki temu mają one małe pojemności, co umożliwia wykorzystanie ich w układach „wielkiej częstotliwości. Złącza diod sygnałowych przełączających są wykonane w sposób zapewniający ikrótkie czasy ustalania charakterystyki wstecznej t? i małe ładunki przełączania Qs, >co umożliwia ich stosowanie w układach o dużej szybkości działania. Diody sygnałowe opisuje się w zasadzie takimi samymi parametrami jak pro­stownicze, z tym że ze względu na większą uniwersalność podaje się dodatkowo kilka dnnych parametrów, m.in.: Jfmzi ?maksymalny dopuszczalny prąd przewodzenia, ^Rmax ? maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne. Dla diod sygnałowych znaczenie istotniejsze niż dla prostowniczych mają para­metry charakteryzujące szybkość działania: C? t? i Qs. Od diod sygnałowych przezna­czonych do przełączania, tzw. diod przełączających, w wielu zastosowaniach wymaga się, by parametry te miały skrajnie małe wartości. Szybkość przełączania diody nie zależy jednak wyłącznie od samej diody. Mają na nią wpływ również właściwości źródła przełączającego oraz pozostałych elementów układu. Rozpatrzmy ważny dla praktyki inżynierskiej przypadek przełączania diody, :gdy źródło ma cechy idealnego generatora impulsowego napięcia prostokątnego ?o zerowej rezystancji wewnętrznej i zerowym czasie przełączania, natomiast wszystkie pozostałe elementy układu można zastąpić rezystancją połączoną szeregowo z diodą rys. 4.24). Niech RF ś R < RR, gdzie RF = ~, zaś RR = -^-.Powyższezałożenie if *R oznacza, że dioda jest sterowana prądowo, gdy napięcie generatora jest dodatnie oraz aapięciowo, gdy napięcie generatora jest ujemne i ustalona została charakterystyka wsteczna.

Prąd przewodzenia wymuszony przez generator ma wartość

gdzie f/ciM ? szczytowa wartość dodatniego napięcia generatora. Maksymalne napięcie wsteczne diody jest natomiast równe

gdzie U/G2M ? szczytowa wartość ujemnego napięcia generatora. W momencie przełączenia napięcia generatora z dodatniego na ujemne złącze p-n traci właściwości zaporowe i przepuszcza duży prąd wsteczny. Wartość tego prądu początkowo jest ograniczana przez rezystancję R

Duży prąd wsteczny utrzymuje się na stałym poziomie przez czas t? po czym maleje przez czas tf do poziomu zbliżonego do wartości odpowiadającej charakterystyce statycznej.

Ten anomalny przebieg prądu wstecznego (rys. 4.25) może być wyjaśniony za pomocą równania ciągłości w postaci ładunkowej gdzie: Q ?ładunek nadmiarowych nośników mniejszościowych zgromadzony w obszarach złącza przyległych do warstwy przejściowej, r ?czas życia nadmiarowych nośników mniejszościowych, iD ?prąd diody. Równanie (4.21) jest wynikiem scałkowania klasycznych równań ciągłości nośników mniejszościowych wzdłuż obszarów przylegających do warstwy przejściowej, wymnożenia ich przez ą qS, gdzie S ? przekrój złącza, i zsumowania ich. Na jego podstawie można stwierdzić co następuje. W stanie ustalonym przewodzenia prądu IFM w złączu gromadzi się ładunek Qs

Istnienie ładunku Qs jest powodem zaniku właściwości zaporowych diody. Silne przewodzenie w kierunku zaporowym trwa do czasu zaniku ładunku Qs, tj. przez czas

Z (4.22) i (4.24) wynika, że czas ustalania charakterystyki wstecznej /? jest proporcjo­nalny do stosunku IFM: IRM. Stałość prądu w czasie tr po przełączeniu jest spowodowana tym, że początkowo po przełączeniu rezystancja złącza jest znacznie mniejsza od rezystancji R i dlatego generator wymusza przepływ prądu IRM. W przenoszeniu tego prądu bierze udział ładunek

gdzie t p ? czas propagacji swobodnych ładunków przez diodę. Czas propagacji nośników przez diodę jest wielkością niezależną od polaryzacji diody, gdyż przewodzenie prądu ma charakter dyfuzyjny w większej części obszaru diody. Dlatego dopóki ładunek Ag jest mniejszy od Qs, dopóty prąd wsteczny jest określany wyłącznie przez generator i rezystancję R. W miarę upływu czasu ładunek nadmiarowych nośników mniejszościowych zgromadzonych w złączu zmniejsza się

Począwszy od momentu zrównania się wartości ładunku zgromadzonego z wypływa­jącym w ciągu czasu propagacji prąd wsteczny musi zmniejszać się, gdyż od tego mo­mentu zasoby ładunku są niewystarczające dla podtrzymania stałości wypływu. Napięcie na diodzie w momencie przełączenia zmienia się raptownie tylko o wartość różnicy spadku napięcia na rezystancji szeregowej

Następnie napięcie zmienia się stopniowo, zwiększając wartość ujemną w miarę roz­ładowywania złącza, aż do wartości URM = UG2M. Przełączenie następne, od stanu zaporowego do przewodzenia, powoduje bezzwłoczne pojawienie się prądu IFM. Początkowo jest to jednak prąd przeładowywa­nia pojemności diody Cr. W miarę przeładowywania tej pojemności napięcie na diodzie zmienia się ze stałą czasową RCr, dochodząc do wartości progowej Ur. Począwszy od tego momentu przez diodę przepływa prąd przewodzenia, który wzrasta asymptotycznie do wartości IFM. Szczególnym rodzajem diod przełączających są diody ładunkowe. Charakteryzują się one bardzo krótkim czasem opadania prądu wstecznego tf. Parametry wybranych diod sygnałowych zestawiono w tablicy 4.5

ZASTOSOWANIA DIOD SYGNAŁOWYCH

Układy przylegania (rys. 4.26) Pojemność C ładuje się w ciągu pierwszego okresu napięcia wejściowego do amplitudy tego napięcia, po czym utrzymuje ten poziom. Dzięki temu w przebiegu

wyjściowym pojawia się składowa stała, równa amplitudzie składowej zmiennej o bie­gunowości zależnej od kierunku włączenia diody. Warunkiem równości składowej :stałej i amplitudy jest małe obciążenie wyjścia i duża amplituda napięcia wejściowego

Detektor szczytowy (rys. 4.27) Jeżeli napięcie wejściowe jest zmodulowane amplitudowo, tj. ut(t) = U(l+mcosQt)sincot gdzie: m ? głębokość modulacji (m < 1), Q <^ o>, to napięcie wyjściowe układu w wy­niku prostowania na diodzie powtarza obwiednię przebiegu wejściowego

Warunkiem takiej detekcji jest odpowiednie dobranie obwodu RC oraz stoso­wanie dużego poziomu napięcia wejściowego

Mieszacz jednodiodowy (rys. 4.28) W mieszaczu wykorzystuje się nieliniowość charakterystyki prądowo-napięcio-wej diody w celu dokonania przemiany częstotliwości sygnału. Dioda jest sterowana dwoma napięciami: sygnału i heterodyny, co powoduje przepływ prądu zawierającego liczne składowe o częstotliwościach

gazie: fs ? częstotliwość sygnału, fh ?? częstotliwość heterodyny, k = O, 1,2, …,/ = O, 1,2, …i takie, że/> 0.

Jeżeli napięcie polaryzacji diody ma postać

Nieliniowość diody powoduje bowiem zniekształcenie przebiegu prądu względem na­pięcia, będącego sumą napięcia sygnału i heterodyny. Dla przykładu przyjmijmy, że charakterystykę diody można aproksympwać wielomianem potęgowym

to jej prąd będzie następującym przebiegiem Prąd diody przepływając przez obwód rezonansowy nastrojony na odpowiednią skła­dową daje napięcie wyjściowe o częstotliwości tej składowej. Mieszacze zrównoważone (rys. 4.29) W mieszaczach: dwudiodowym i kołowym diody spełniają funkcję identyczną jak w mieszaczu jednodiodowym. Wymaga się tu jednak identyczności diod. Przy odpowiednim dobraniu diod oraz zastosowaniu transformatorów o należytej symetrii w mieszaczach zrównoważonych uzyskuje się dodatkowo m.in. znaczne tłumienie sygnału heterodyny i jej harmonicznych na wyjściu.

Redukcja wielu składowych w dobrze zrealizowanych mieszaczach zrównowa­żonych może przekraczać 60 dB przy jednoczesnym wzroście poziomu składowej o częstotliwości różnicowej (fs?f/,) w stosunku do uzyskiwanego w mieszaczu jedno­diodowym. Ograniczniki i układy zabezpieczające Silna nieliniowość charakterystyki diody pozwala wykorzystać te elementy do zabezpieczania układów i przyrządów przed przepięciem, przeleżeniem, włączeniem napięcia o niewłaściwej biegunowości itp. Na rysunku 4.30 podano przykłady takich zastosowań: a ? ogranicznik zabezpieczający wzmacniacz operacyjny przed przesterowaniem, b ? ogranicznik zabezpieczający mikroamperomierz przed przeleżeniem, c ? układ chroniący przed podaniem napięcia ujemnego na obwód wrażliwy na takowe, d ? układ zabezpieczający przed przepięciem tranzystor sterujący cewkę przekaźnika, e ? układ zabezpieczający tranzystor przed nasyceniem. Czujnik temperatury (rys. 4.31) Zastosowanie diody jako czujnika temperatury jest możliwe dzięki zależności spadku napięcia w kierunku przewodzenia od temperatury. Napięcie przewodzenia przy stałym prądzie zmniejsza się ze wzrostem temperatury

gdzie kT jest temperaturowym współczynnikiem napięcia przewodzenia diody aVF; kT k -2mV/K. Dobierając tak wartość napięcia zasilania UAA oraz rezystancji /?t, R2 i R3, by w temperaturze odniesienia (T?) miliwoltomierz miał wychylenie zerowe, można uzyskać wskazania miliwoltomierza proporcjonalne do przyrostu temperatury (T? T0). Selektor impulsów (rys. 4.32) W selektorze diody spełniają funkcję zaworów przepuszczających tylko impulsy jednej biegunowości. Ażeby selekcja była zadowalająca i nie występowała deformacja impulsów, diody muszą mieć czasy przełączania (/?.) znacznie krótsze od czasów trwania impulsów. Stała czasowa RC, powinna być również znacznie mniejsza od czasów narastania i opadania impulsów.

Ogranicznik poziomu (rys. 4.33) Gdy napięcie wejściowe przewyższa napięcie baterii E o napięcie progowe diody UT, to dioda przewodzi i dlatego napięcie wyjściowe nie może wzrosnąć powy­żej E+Uf.

DIODY POJEMNOŚCIOWE

Diodami pojemnościowymi lub diodami o zmiennej pojemności nazywamy diody p-n zoptymalizowane pod względem możliwości wykorzystania pojemności barierowej złącza. Wykonuje się je przede wszystkim z krzemu. Stosuje się również diody germanowe i z arsenku galu (waraktory). Rozróżnia się dwie grupy diod pojemnościowych: warikapy i warak­tory. Warikapy mają budowę analogiczną jak diody sygnałowe. Są one przeznaczone do przestrajania obwodów rezonansowych, generatorów i innych układów selektyw­nych w zakresie częstotliwości do fal metrowych włącznie. Waraktory mają budowę analogiczną do innych diod mikrofalowych detekcyjnych i mieszających. Są one prze­znaczone do pracy w zakresie mikrofal do fal centymetrowych włącznie, przede wszy­stkim w układach parametrycznych oraz w przełącznikach sygnałów mikrofalowych. Istotną cechą konstrukcji waraktorów jest zminimalizowanie indukcyjności dopro­wadzeń oraz rezystancji termicznej. Charakterystyka statyczna prądowo-napięciowa oraz charakterystyki przełą­czania diod pojemnościowych są analogiczne do diod sygnałowych. Są to jednak charakterystyki o drugoplanowym znaczeniu.

w zależności gdzie: UD ? napięcie bariery potencjału złącza przy

dla złącza skokowego od rodzaju złącza diody; dla złącza liniowego,

2 dla złącza skokowo-hiperbolicznego. Podstawową charakterystyką diody pojemnościowej jest zależność jej pojem­ności od napięcia polaryzacji w zakresie zaporowym (rys. 4.34). Można ją aproksymo-wać zależnością Zakres roboczy charakterystyki pojemnościowo-napięciowej rozciąga się od Umla x 0,25 V do Umn = UKm?. Przekroczenie tego zakresu od strony Umia prowadzi do zmniejszenia dobroci diody z powodu wzrostu konduktancji dyfuzyjnej, natomiast przekroczenie od strony UmK prowadzi do zmniejszenia niezawodności pracy diody. Dla małych sygnałów prądu zmiennego diody pojemnościowe mogą być trak­towane jako obwody liniowe o zmiennej pojemności (rys. 4.35). W obwodach tych występują: Cr ? pojemność diody, g ?konduktancja bocznikująca pojemność, rs ? rezystancja szeregowa, Ls ? indukcyjność doprowadzeń, Cp ? pojemność pomiędzy wyprowadzeniami z wyłączeniem pojemności złącza. Znając elementy obwodu zastępczego można określić impedancję i dobroć diody. Dla zakresu małych częstotliwości obwód zastępczy diody upraszcza się do dwóch równolegle połączonych elementów ? pojemności Cr i konduktancji g. W za­kresie m.cz. admitancja i dobroć diody wynoszą

Dobroć w zakresie m.cz. jest proporcjonalna do częstotliwości. Istnieje więc minimalna częstotliwość, poniżej której dobroć jest zbyt mała. Za taką częstotliwość przyjęto

Przy częstotliwości fa dobroć diody jest równa jedności. W zakresie wielkich częstotliwości impedancję diody opisuje wzór

Dioda pojemnościowa w zakresie w.cz. ma więc dwa rezonanse: ? szeregowy przy częstotliwości

? równoległy przy częstotliwości

Przy częstotliwości rezonansu szeregowego impedancja diody jest równa rezy­stancji szeregowej, jej dobroć zaś ma wartość zerową. Częstotliwość rezonansu szere­gowego można więc uznać za górną granicę zakresu częstotliwości roboczych diody pojemnościowej. Dobroć w zakresie w.cz. jest funkcją malejącą częstotliwości

obwód zastępczy diody można sprowadzić do przedstawionego na rys. 4.35d. W tym zakresie impedancję i dobroć wyrażają wzory

W zakresie średnich częstotliwości występuje maksimum dobroci o parametrach

Typowym zastosowaniem diod pojemnościowych jest przestrajanie obwodów rezonansowych, o czym była już mowa na początku. Dioda w tych zastosowaniach jest łączona z cewką w obwód rezonansowy jak w przykładzie na rys. 4.36. Pojemność diody

jest regulowana za pomocą potencjometru P, poprzez ogniwo RC2 odsprzęgające dla w.cz. Częstotliwość rezonansowa tego obwodu przy C2 ^> Ci wynosi

Zmieniając wiec C, wpływa się na częstotliwość rezonansową obwodu. Parametry wybranych warikapów zestawiono w tablicy 4.6.