El diody v elektrickém obvodu

Jsou shrnuty praktické obvody amplitudových detektorů a frekvenčních měničů (směšovačů a modulátorů) na bázi polovodičových diod. Materiál v článku je systematizován na základě proprietárních materiálů výrobců diod atypické obvody testoval autor ve své praxi radiotechnika.

úvod
Dioda je základní zařízení v radiotechnice a elektronických obvodech. Polovodičová polovodičová dioda, která byla nejprve, ihned po svém vynálezu, nazývána „krystalická“, je v současnosti jedním z nejoblíbenějších polovodičových mikroelektronických zařízení. Stovky společností po celém světě vyrábějí tisíce typů diod v milionech kopií: od výkonových usměrňovačů po ultravysokofrekvenční detektorové a převodníkové diody (směšovací, modulační a násobiče), a to jak ve formě balených zařízení, tak ve formě čipy a speciální sestavy.

Každý radioamatér používá polovodičové diody, prakticky bez pronikání do konkrétních fyzikálních principů jejich činnosti. Stačí, že při jejich používání nepřekročíte technické požadavky (TS) výrobce zařízení. Mnoho vlastností optimálního návrhu diodových obvodů doporučených výrobci přitom zůstává mimo pozornost radioamatérů.

Účelem článku je systematizovat obvody diod a optimalizovat jejich použití pro úkoly, jako je detekce a frekvenční konverze. V [1] byl publikován článek o použití bipolárních tranzistorů pro modulátory a směšovače. Pokud jde o provozní parametry (s výjimkou koeficientu přenosu), speciální diodové technologické sestavy doporučené referenčními knihami mnoha společností pro symetrické modulátory a směšovače nejsou horší než tranzistorové obvody a pokud jde o takový parametr, jako je vyvážení, mohou je překročit . To naznačuje, že technologie diodových obvodů není pro mnoho úkolů zdaleka vyčerpána. Materiály článku mají tuto tezi potvrdit.

Dioda jako prvek elektrického obvodu
Budeme předpokládat, že fyzika činnosti polovodičové diody je čtenáři buď obecně známá, nebo se s ní na přání může seznámit pomocí dostupných učebnic a četných speciálních pomůcek. Pro obvody diod jsou hlavními definujícími body následující tři ustanovení:

• polovodičová dioda v elektrickém obvodu je dvousvorkové zařízení;
• proudově-napěťová charakteristika polovodičové diody v propustném (vodivém) směru nezačíná od nuly jako u elektrické vakuové diody, ale je posunuta o hodnotu napětí bariéry potenciálu U® polovodičového přechodu diody (obr. 1);
• Proudově napěťová charakteristika polovodičové diody v opačném (nevodivém) směru má také tzv. „průrazný“ potenciální bod Up, od kterého se dioda stává vodivou.

Tento bod se používá jako pracovní bod u některých typů polovodičových diod (zenerových diod). Z první pozice vyplývá, že v pracovním obvodu je dioda současně zařazena do vstupního signálu, výstupního signálu, usměrněného stejnosměrného obvodu a do obvodu předpětí (je-li použito předpětí). Pokud alespoň jeden z těchto obvodů není uzavřen, pak dioda nebude fungovat, tzn. nebude plnit svou roli jako detektor usměrňovače nebo frekvenčního měniče. Zejména pokud je v pracovním obvodu směšovače i modulátoru zahrnuta dioda, pak budou existovat dva vstupní signály různých frekvencí, dva užitečné výstupní signály (na součtových a rozdílových frekvencích) a plus usměrněný přímý proud. To znamená, že na vstupech a výstupech dvou pólů diody musí být explicitně nebo implicitně použity frekvenční oddělovací obvody, jako jsou rezonanční obvody nebo dolní a horní propusti, a navíc musí být uzavřené stejnosměrné obvody. .

V případě použití tzv. vyvážených obvodů lze počet vstupních rezonančních obvodů nebo filtrů snížit použitím kombinací lineárních součtově-diferenčních obvodů. V tomto případě lze ve vyváženém obvodu použít sestavy dvou nebo čtyř diod stejného typu. Mnoho firem vyrábí takové sestavy ve formě čipů, vyrobených v jednom technologickém cyklu na polovodičovém waferu, což zaručuje vysokou identitu párů (čtyřiček) diod.

Jednopólová dioda
Primárně se jedna dioda používá jako jediný půlvlnný střídavý usměrňovač. V elektrické síti se takový obvod prakticky nepoužívá kvůli nízké energetické účinnosti, zatímco v technologii rádiového příjmu je obvod s jedním zakončením široce používán jako amplitudový (AM) detektor.

Hodnota potenciálové bariéry diody U® má různé hodnoty pro diody různých technologických typů. Pro křemíkové diody využívající tzv. Schottkyho technologii U® = 0,25 V, pro germaniové diody U® = 0,4 V a pro běžné, a tedy levné křemíkové diody U® = 0,6 V. Existuje speciální typ tzv. reverzních diod, výjimečně používané v radioamatérské praxi, pro které U®=0. Přítomnost nulového offsetového bodu způsobí, že dioda nezačne vést, dokud amplituda vstupního signálu nepřekročí tento práh. To znamená, že např. detektorový přijímač bez vysokofrekvenčního zesilovače bude „hluchý“, dokud signál na výstupu rezonančního obvodu po anténě nepřekročí Uo.

Měli byste také vědět, že pokud v praxi obvod detektoru začíná s kapacitou (uzavřený vstup), pak se výstupní signál objeví pouze tehdy, když amplituda vstupního napětí překročí dvojnásobek hodnoty Uo kvůli skutečnosti, že se vytvoří další předpětí na kapacita, která se téměř rovná usměrněnému špičkovému vstupnímu napětí.

Předpětí Uo může být kompenzováno použitím další diody D2 stejného typu v obvodu detektoru, jak je znázorněno na obr. 2a. Jeho „stojan“ s konstantním napětím rovným U® bude určovat nulový práh pro začátek vedení pro provozní diodu D1 a navíc bude kompenzovat odchylku jeho prahu odezvy U® se změnami okolní teploty.

Pokud je na vstupní sběrnici s diodou určitá konstantní úroveň provozního napětí, která se často vyskytuje v digitálních obvodech, pak ji lze kompenzovat i další diodou D2 (obr. 2b). Odpor rezistoru R1 je zvolen tak, že I2>I1 a dioda D2 je vždy otevřená.

Při použití uzavřeného vstupu (obr. 2, c) je realizován obvod AM detektoru se zdvojnásobením výstupního napětí. V některých případech může být takové zapojení užitečné, pokud je zajištěno, že následný stupeň v celkovém obvodu má vysokou vstupní impedanci.

Pokud jde o frekvenční limit činnosti konkrétní polovodičové diody v půlvlnném obvodu, je požadováno, aby perioda vstupního provozního frekvenčního signálu byla řádově větší než relaxační doba menšinových nosičů použité diody. U konvenčních diod je relaxační čas 10 ns a pracovní frekvence takové polovodičové diody může být F = 100 MHz. Schottkyho diody se používají hlavně na ultra vysokých frekvencích (mikrovlny), protože jejich doba relaxace může být 1000 pikosekund nebo méně. Proto by měl například optimální filtrační obvod pro jednokoncový ultra-vysokorychlostní diodový signálový spínač při výpočtu frekvencí separace vstupního a výstupního spektra brát v úvahu relaxační dobu diody jako určující maximální rychlost přepínání.

Vyvážené struktury diod
Push-pull neboli vyvážená struktura diody se původně používala v obvodech dvou půlvlnných výkonových usměrňovačů. Tento obvod se skládá z dvojice diod a transformátoru se středem. V praxi se nepoužívá jako AM detektor v rádiových přijímacích obvodech. Taková struktura zároveň tvoří základ symetrických obvodů používaných jako frekvenčně měnící obvody (směšovače a modulátory).

Symetrický obvod směšovače (modulátoru) je tvořen lineárním obvodem pro generování součtu a rozdílu vstupních signálů, obvykle také pomocí transformátoru se středovým bodem, na který je připojen další vstup obvodu (obr. 3). ke kterému je následně připojena samotná sestava diod. Typické zapojení vyváženého směšovače pomocí dvou diod je na obr. 4. Obr. Výstup využívá rozdíl napětí ze dvou zátěžových odporů. Stupeň potlačení vstupních signálů na výstupu je určen úrovní vyváženosti (symetrie) obvodu a charakterizuje izolaci směšovače nebo modulátorů ve vztahu ke vstupním signálům.

Číselně je vyvážení vyjádřeno jako poměr zbytkového napětí na výstupu vyváženého obvodu ke vstupnímu napětí a je určeno symetrií sekundárního vinutí obvodu vstupního transformátoru se středem a identitou diod. Zhruba se vyvážení jakéhokoli obvodu tohoto typu kontroluje velmi jednoduše: stačí vypnout jeden ze vstupních signálů a zkontrolovat úroveň zbytkového usměrněného signálu na výstupu vyváženého obvodu.

Také říkají, že jakýkoli vyvážený směšovač nebo modulátorový obvod je multiplikátorem vstupních signálů. V tomto případě lze matematicky ukázat, že na základě užitečného vstupního signálu bude směšovač (modulátor) pracovat v lineárním režimu pro jakoukoli proudově napěťovou charakteristiku diod za předpokladu, že referenční signál (lokální oscilátor) převodník překračuje vstupní úroveň alespoň o řád.

Základní obvod na obr. 4 tvoří základ celé rodiny symetrických obvodů, skládající se ze čtyř podrodin, jmenovitě čítačů typu „A“ a řady „B“, s otevřeným „C“ nebo uzavřeným „D“. ” zahrnutí páru diod (obr. 4). Výstupní napětí při zapojení diod zády k sobě vzniká odečtením napětí ve dvou ramenech usměrňovače. Když jsou diody zapojeny do série, užitečný signál vzniká sečtením napětí na výstupu dvou ramen. Každá dioda v sestavě dvou diod pracuje v režimu jednopůlvlnného usměrňovače.

Při použití sestav čtyř diod je možné použít dva provozní režimy půlvlnných (push-pull) diod. Takové obvody jsou také známé jako můstkové nebo kruhové obvody. Možné jsou také symetrické dvoupůlvlnné obvody se čtyřmi diodami, které nemají explicitní prstencovou strukturu, například ve tvaru hvězdy. V každém případě je každý takový obvod v rodině kombinací dvou půlvlnných základních obvodů. Tabulka obvodů na obr. 5 představuje taxonomii rodiny vyvážených 4 diodových obvodů získaných kombinatorickými metodami.

Je zajímavé poznamenat, že pokud obvod s kapacitním vstupem Obr. 2, když jsou kombinovány ve formě push-pull, pak každé rameno vyvážené sestavy bude pracovat v režimu zdvojení napětí s výstupním signálem, který není symetrický vzhledem ke společnému vodiči.

Moderní diodové sestavy dostupné na trhu poskytují převodní ztráty až 5 dB, garantovanou rovnováhu v pracovním bodě až 8 dB a úrovně vstupního signálu až několik miliwattů pro směšovací diody a několik wattů pro diody modulátoru. Všechny základní obvody směšovače zobrazené na obr. 25 a obr. 30 jsou převedeny na fázové detektory (PD), pokud frekvence místního oscilátoru v obvodu směšovače odpovídá frekvenci vstupního signálu jako referenčního signálu, jako v případě rádia s přímou konverzí. příjem V tomto případě se užitečný signál na výstupu diodového obvodu místo rozdílové frekvence tvoří kolem bodu nulové frekvence ve formě obrazového spektra vstupního modulovaného signálu. Protože vyvážený směšovací obvod provádí operaci násobení, pak, přísně vzato, výstupní signál PD je úměrný kosinu fáze vstupního signálu. Proto se takové jednoduché schéma PD používá pouze při malých úhlech odchylky fázové modulace (PM) vstupního signálu. Při velkých úhlech odchylky PM se používají složitější schémata se dvěma kvadraturními PD: jedna s nulovým fázovým posunem a druhá o 4° k referenčnímu signálu.

Speciální obvody symetrických diodových struktur
Řada firem vyrábí speciální sestavy diod ve formě čipů s paprskovými vývody čtyř diod zapojených do hvězdy pro symetrické obvody, zejména pro mikrovlnné směšovače (obr. 6). Takové sestavy jsou vhodně zahrnuty do dvoupáskových symetrických (vzhledem k „země“) přenosových vedení signálu a lokálního oscilátoru, připojených k hvězdicové diodové sestavě na obou stranách ve tvaru kříže. Užitečný mezifrekvenční signál se odebírá ze společného bodu řetězového kola.

Čtenář při své tvůrčí radioamatérské práci má možnost využít symetrický hvězdicový obvod na nižších frekvencích při použití balunového transformátoru nebo aktivních tranzistorových fázově dělicích obvodů. Speciální aplikace, jako jsou frekvenční syntezátory, někdy vyžadují použití frekvenčních měničů s vyvážením až 50 dB. V tomto případě diodové sestavy ani ve formě technologických čipů nezaručují dostatečnou identitu parametrů jednotlivých diod pro takové úlohy.

Pro takové úlohy se používá symetrický obvod frekvenčního měniče s vyrovnáváním charakteristik diod pomocí auto-bias. Jak je znázorněno na obr. 7, myšlenka je taková, že diody jsou zapojeny do párů přes speciální RC obvod, na kterém se vytvoří předpětí společné pro páry diod kvůli usměrnění signálu lokálního oscilátoru. Tento automatický offset zarovná společný pracovní bod páru. Vyrovnání pracovního bodu dvou párů diod se provádí externím diferenčním obvodem pro nastavení úrovně lokálního oscilátoru na dvou párech (ten není na obrázku znázorněn).

1. Skorik E.T. Vyvážené modulátory a směšovače na bipolárních tranzistorech s komplementární vodivostí // Radioamator. 2005. č. 8. S.54 55

Dioda je nejjednodušší polovodičové zařízení, které lze dnes nalézt na desce plošných spojů jakéhokoli elektronického zařízení. V závislosti na vnitřní struktuře a technických vlastnostech jsou diody klasifikovány do několika typů: univerzální, usměrňovače, pulzní, zenerovy diody, tunelové diody a varikapy.

Diody se používají pro usměrnění, omezování napětí, detekci, modulaci, jako ochranné prvky atd. – podle účelu zařízení, ve kterém jsou použity.

Usměrňovací diody jsou určeny k usměrnění nízkofrekvenčního střídavého proudu na pulzující proud v jednom směru.

Základem diody je pn přechod tvořený polovodičovými materiály se dvěma různými typy vodivosti. Ke krystalu diody jsou připojeny dva vývody zvané katoda (záporná elektroda) a anoda (kladná elektroda). Na straně anody je oblast polovodiče typu p a na straně katody je oblast typu n.

Toto diodové zařízení mu poskytuje jedinečnou vlastnost – vede proud pouze v jednom (přímém) směru, od anody ke katodě. Normální pracovní dioda nevede proud v opačném směru.

V oblasti anody (typ p) jsou hlavními nosiči náboje kladně nabité otvory a v oblasti katody (typ n) – záporně nabité elektrony. Vývody diod jsou kontaktní kovové plochy, ke kterým jsou vývody připájeny.

Když dioda vede proud v propustném směru, znamená to, že je v otevřeném stavu. Pokud přes pn přechod neprotéká žádný proud, pak je dioda uzavřena. Dioda tedy může být v jednom ze dvou stabilních stavů: buď otevřená nebo zavřená.

Zapojením diody do obvodu zdroje konstantního napětí, s anodou na kladný pól a katodou na záporný pól, získáme předpětí pn přechodu v propustném směru. A pokud je napětí zdroje dostatečné (pro křemíkovou diodu stačí 0,7 voltu), pak se dioda otevře a začne vést proud. Velikost tohoto proudu bude záviset na velikosti použitého napětí a na vnitřním odporu diody.

Proč se dioda stala vodivou? Protože když je dioda správně zapnuta, elektrony z n-oblasti pod vlivem EMF zdroje spěchají k její kladné elektrodě, směrem k otvorům z p-oblasti, které se nyní pohybují směrem k záporné elektrodě zdroje. zdroje směrem k elektronům.

Na rozhraní oblastí (na samotném pn přechodu) v této době dochází k rekombinaci elektronů a děr a jejich vzájemné absorpci. A zdroj je nucen neustále dodávat nové elektrony a díry do oblasti pn přechodu, čímž se zvyšuje jejich koncentrace.

Co se stane, když se dioda zapne obráceně, s katodou na kladném pólu zdroje a anodou na záporném pólu? Díry a elektrony se od křižovatky rozptýlí různými směry – směrem ke svorkám a v blízkosti přechodu se objeví zóna ochuzená o nosiče náboje – potenciální bariéra. Proud způsobený hlavními nosiči náboje (elektrony a dírami) prostě nevznikne.

Diodový krystal ale není ideální kromě většinových nosičů náboje, obsahuje i menšinové nosiče náboje, které vytvoří velmi nepatrný zpětný proud diody, měřeno v mikroampérech. Ale dioda v tomto stavu je zavřená, protože její pn přechod je obrácený.

Mezi hlavní parametry usměrňovací diody patří propustné a zpětné proudy, usměrněný proud, propustné a zpětné napětí, rozdílový odpor, maximální pracovní frekvence.

Napětí, při kterém dioda přejde ze sepnutého stavu do otevřeného, ​​se nazývá propustné napětí diody (viz – Základní parametry diod), což je v podstatě úbytek napětí na pn přechodu.

Odpor diody proti proudu v propustném směru není konstantní, závisí na velikosti proudu diodou a má velikost řádově několik ohmů. Napětí obrácené polarity, při kterém se dioda vypne, se nazývá zpětné napětí diody. Zpětný odpor diody v tomto stavu se měří v tisících ohmů.

Je zřejmé, že dioda se může přepnout z otevřené do zavřené a zpět, když se změní polarita napětí, které je na ni aplikováno. Na této vlastnosti diody je založen provoz usměrňovače.

V sinusovém obvodu střídavého proudu tedy dioda povede proud pouze během kladné půlvlny a během záporné půlvlny bude zablokována.

Usměrňovač je zařízení, které přeměňuje střídavý proud na stejnosměrný proud. Hlavním funkčním prvkem jsou diody, které umožňují průchod proudu pouze jedním směrem. Vhodným uspořádáním diod se střídavý proud v jednofázovém nebo třífázovém obvodu převádí na proud pulzující, ale jednosměrný. Pro vyhlazení výsledného proudu lze použít kondenzátory.

Normální provoz diody v usměrňovacím režimu je možný, když zpětné napětí nepřekročí hodnotu průrazu a usměrněný proud nepřekročí jmenovitě přípustnou hodnotu při normální teplotě diody. Se zvyšující se teplotou diody se propustné a zpětné proudy zvyšují a se snižováním teploty se snižují. Průrazné napětí klesá s rostoucí teplotou.

Hranice režimů, ve kterých dioda pracuje s danou spolehlivostí, jsou určeny omezujícími parametry. Mezi omezující parametry patří maximální hodnoty usměrněného proudu, přípustný ztrátový výkon na diodě, její provozní teplota a špičkové zpětné napětí.

Nejběžnější typy diod:

• Usměrňovací diody: Tyto diody se používají v usměrňovacích obvodech AC na DC. Jsou pomalé, určené pro nízkofrekvenční obvody, optimalizované pro nízké ztráty ve vedení a snesou pouze mírné dynamické zatížení. Typická hodnota ton pro výkonovou diodu je 5–20 μs a toff 20–100 μs (poměr Ton/Tof určuje rychlost diody). Jmenovité hodnoty napětí se pohybují od několika stovek voltů do 10 kV a jmenovité hodnoty proudu se pohybují od 1 A do 10 kA.
• Дrychle redukující jód: Obvykle se jedná o doprovodné diody pro rychlé spínače, jako jsou IGBT. Tyto diody jsou optimalizovány pro vysoké dynamické zatížení i pro použití v elektronických spínačích. Typické doby ton jsou v rozmezí několika nanosekund a typické doby toff jsou v rozmezí desítek nanosekund až několik mikrosekund, v závislosti na hodnocení diody. K dispozici jsou jmenovité hodnoty napětí a proudu až do 6 kV a 3 kA.
• Rychlé diody: Jsou optimalizovány pro vysokofrekvenční aplikace, jako jsou vysokofrekvenční usměrňovače ve spínaných napájecích zdrojích. Mají velmi rychlé doby zotavení (od 1 ns do 5 μs). Jmenovitý výkon se pohybuje od několika stovek miliwattů do několika kilowattů.
• Schottkyho diody: Tyto diody mají velmi nízký pokles napětí v zapnutém stavu a velmi rychlé spínání. Pokles napětí v zapnutém stavu může být až 0,1–0,7 V. Mnoho aplikací, jako jsou vysokofrekvenční usměrňovače v nízkonapěťových napájecích zdrojích, vyžaduje rychle působící diody s nízkým poklesem napětí v zapnutém stavu. Schottkyho dioda je tvořena nelineárním kontaktem mezi polovodičem typu N (katodou) a kovem (anodou), čímž vzniká Schottkyho bariéra. Proud pochází z většinových přenašečů, což má za následek zadržování menších menšinových přenašečů v oblasti unášení. Tím se výrazně zkrátí doba vypnutí zařízení. Schottkyho diody na bázi křemíku mají velmi nízkou (
• zenerovy diody: Jedná se o speciální diody, které umožňují proudění proudu v dopředném i zpětném směru. V opačném směru jsou určeny pro práci v oblasti poruchy. Zenerovy diody jsou navrženy pro nízké průrazné napětí, typicky několik voltů až maximálně 1 kV. Dopředný proud se bude pohybovat od několika mikroampérů do 200 A.
• Diody vyzařující světlo: Světelné diody (LED) při aktivaci vyzařují světlo. Používají se především jako indikátory a informační zobrazovací prvky. V poslední době se používají pro osvětlení.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře