Definiţia diodei
Dioda este un dispozitiv electronic ce permite trecerea curentului doar într-o singură direcţie. Cea mai folosită diodă în circuitele electronice este cea semiconductoare, deşi există şi alte tehnologii.
Simbolul diodei
Simbolul diodelor semiconductoare este prezentat în următoarea figură; săgeţile indică deplasarea reală a electronilor prin diodă.
Conectarea în circuit
La conectarea într-un circuit simplu, format dintr-o baterie şi o lampă, dioda fie va permite trecerea curentului spre lampă, fie o va bloca, în funcţie de polaritatea tensiunii aplicate.
Polarizarea directă
Atunci când polaritatea bateriei este astfel încât este permisă trecerea electronilor prin diodă, spunem că dioda este polarizată direct.
Polarizarea inversă
Invers, când trecerea electronilor este blocată datorită inversării bateriei, spunem că dioda este polarizată invers.
Putem să ne gândim la diodă ca la un întrerupător: „închisă”, când este polarizată şi „deschisă” când este polarizată invers.
Consideraţii teoretice
Diodele semiconductoare sunt dispozitive electronice formate dintr-o joncţiune pn, două contacte metal semiconductor închise ermetic într-o capsulă metalică sau din material plastic prevăzută cu două terminale.
Terminalul corespunzător regiunii de tip p se numeşte anod (A), iar cel corespunzător regiunii de tip n se numeşte catod (K). Diodele se folosesc ca elemente fizice de circuit asigurând o conducţie unidirecţională.
Regimul de conducţie are loc doar atunci când dioda este polarizată direct (+ pe anod şi – pe catod). Caracteristica unei diode semiconductoare este prezentată în fig.1.1.
Se disting trei zone de funcționare ale diodei:
I – zona de conducție directă
unde: n – coeficient între 1÷2
UT = tensiune termică
Is – curentul de saturație a joncțiunii
UT – are valoarea de 25 mV la T = 300°K
II – zona de blocare corespunzătoare polarizării inverse a diodei
Is – depinde de concentrația purtătorilor minoritari la echilibru care depind de materialul utilizat și de tehnologia de realizare. Curentul tipic de saturație al joncțiunii pentru diodele cu siliciu este Is ≈ 10-9 A.
III – zona de străpungere
Prin multiplicarea în avalanșă curentul crește foarte mult iar tensiunea rămâne practic constantă, efect folosit la realizarea diodelor Zener.
Un alt parametru care caracterizează diodele semiconductoare este rezistența diferențială.
unde ID este curentul corespunzător punctului static de funcționare.
Simbolul, schema echivalentă de curent continuu și caracteristica statică a unei diode redresoare sunt prezentate în fig.1.2 a,b,c.
Datele de catalog cele mai importante pentru o diodă redresoare sunt:
I0 – curentul mediu redresat
VRM – tensiunea directă maximă admisă
VBR – tensiunea inversă de străpungere
VRM = (0,5÷0,8)VBR
Dioda precum o supapă de închidere (analogie)
Comportamentul diodei este analog comportamentului dispozitivului hidraulic denumit supapă de închidere. O supapă de închidere permite trecerea fluidului doar într-o singură direcţie.
Supapele de închidere sunt de fapt dispozitive controlate cu ajutorul presiunii: acestea se deschid şi permit trecerea fluidului dacă „polaritatea” presiunii pe suprafaţă lor este corectă. Dacă „polaritatea” presiunii este de sens contrar, diferenţa de presiune pe suprafaţa valvei va duce la închiderea acesteia, iar curgerea fluidului nu mai este posibilă. Acelaşi lucru este valabil şi în cazul diodelor, doar ca în acest caz presiunea este reprezentată de tensiune.
Explicaţie
Să reluăm circuitul de mai sus, dar folosind de această dată un aparat de măsură pentru determinarea căderilor de tensiune pe diferite componente ale circuitului.
O diodă polarizată direct conduce curent şi prezintă o cădere mică de tensiune la bornele sale, astfel încât majoritatea tensiunii disponibile la bornele sursei de alimentare se regăseşte pe lampă (sarcină). Dacă polaritatea bateriei este inversată, dioda devine polarizată invers, şi toată tensiunea disponibilă la bornele sursei de alimentare se regăseşte pe diodă, iar căderea de tensiune pe sarcină va fi egală cu zero. Putem considera dioda ca fiind un întrerupător „automat” (se închide când este polarizat direct şi se deschide când este polarizat invers). Singura diferenţă notabilă este căderea de tensiune mult mai mare la bornele diodei (0,7 V), faţa de căderea de tensiune pe un întrerupător mecanic (câţiva mV).
Această cădere de tensiune de polarizare directă se datorează acţiunii zonei de golire formată de joncţiunea P-N sub influenţa tensiunii aplicate. Dacă nu există nicio tensiune aplicată la bornele diodei semiconductoare, existenţa zonei de golire înguste în jurul joncţiunii P-N previne apariţia curentului (figura alăturată (a)). Purtătorii de sarcină aproape că lipsesc în zona de golire, şi prin urmare aceasta se comportă precum un izolator.
Dacă dioda este polarizată invers, zona de golire se extinde şi blochează şi mai bine trecerea curentului prin dispozitiv.
Tensiunea de polarizare directă
Dacă dioda este polarizată direct însă, zona de golire devine mult mai subţire (figura alăturată (a), polarizare parţială), iar rezistenţa faţă de curent scade. Pentru funcţionarea corectă a diodei însă, zona de golire trebuie să dispară complet. Acest lucru se poate realiza prin aplicarea unei anumite tensiuni minime, denumită tensiune de polarizare directă (figura alăturată (b)), care pentru diodele de siliciu este în mod normal 0,7 V, iar pentru cele de germaniu de doar 0,3 V.
Căderea de tensiune la bornele diodei rămâne aproximativ constantă pentru o gamă largă de curenţi prin diodă. Pentru analiza circuitelor electronice simplificate, putem considera căderea de tensiune pe diodă ca fiind constantă (nu depinde de valoarea curentului prin diodă).
Curentul invers
Deşi o diodă polarizată invers, nu permite curentului să treacă prin ea datorită extinderii zonei de golire, în realitate există un mic curent de scurgere ce trece prin diodă chiar şi la polarizarea inversă, iar acest curent poartă numele de curent invers. Curentul invers poate fi însă ignorat pentru majoritatea aplicaţiilor.
Tensiunea de străpungere
Dioda nu poate suporta o tensiune de polarizare inversă infinit de mare. Dacă această tensiune devine prea mare, dioda va fi distrusă datorită unei condiţii denumită străpungere. Această tensiune inversă maximă poartă numele de tensiune de străpungere (inversă), notată cu Vs. Tensiunea de străpungerea creşte odată cu creşterea temperaturii şi scade cu scăderea temperaturii – exact invers faţă de tensiunea de polarizare directă.
Lista parametrilor
Principalele caracteristici ale diodelor, trecute în cataloage, sunt următoarele:
VRRM – tensiunea inversă repetitivă maximă, este tensiunea maximă inversă la care poate rezista dioda, atunci când această tensiune este atinsă în mod repetat. Ideal, această valoare ar fi infinită.
VR sau VDC – tensiunea maximă inversă de curent continuu, este valoarea maximă a tensiunii la care dioda poate funcţiona neîntrerupt, fără distrugerea acesteia. Ideal, această valoare a fi infinită.
VF – tensiunea (de polarizare) directă maximă, de obicei este specificată împreună cu valoarea curentului direct. Ideal, această valoare ar fi zero: ideal, dioda nu ar prezenta niciun fel de opoziţie în faţa deplasării electronilor. În realitate, tensiunea directă este descrisă de ecuaţia diodei.
IF(AV) – valoarea maximă (medie) a curentului direct, valoarea maximă medie a curentului pe care bobina o poate suportă la polarizarea directă. Această limitarea este practic o limitare termică: câtă căldură poate „suporta” joncţiunea P-N, având în vedere că puterea disipată reprezintă produsul dintre curent şi tensiune, iar tensiunea de polarizare directă depinde atât de curent cât şi de temperatura joncţiunii. Ideal, această valoare ar fi infinită.
IFSM sau if(vârf) – curentul de polarizare directă maxim, reprezintă curentul de vârf maxim pe care dioda îl poate conduce la polarizare directă, fără ca acest curent să ducă la distrugerea diodei. Din nou, această valoare este limitată de capacitatea termică a joncţiunii diodei, şi este de obicei mult mai mare decât valoarea curentului mediu datorită inerţiei termice. Ideal, această valoare ar fi infinită.
PD – puterea maximă disipată totală, reprezintă valoarea puterii (în Watt) pe care dioda o poate disipa fără ca această putere să ducă la distrugerea diodei. Această valoare este limitată de capacitatea termică a diodei. Ideal, această valoare ar fi infinită.
TJ – temperatura de funcţionare a joncţiunii, reprezintă temperatura maximă admisă a joncţiunii P-N a diodei, valoare dată de obicei în oC. Căldura reprezintă punctul critic al dispozitivelor semiconductoare: acestea trebuie menţinute la o temperatură cât mai apropiată de temperatura camerei pentru funcţionarea lor corectă şi o durată de funcţionare cât mai lungă.
TSTG – temperatura de depozitare, reprezintă valoarea temperaturii de stocare a diodelor (nepolarizate).
R(Θ) – rezistenţa termică, reprezintă diferenţa dintre temperatura joncţiunii şi temperatura aerului exterior diodei (R(Θ)JA), sau dintre joncţiune şi contacte (R(Θ)JL), pentru o anumită putere disipată. Valoarea este exprimată în oC/W. Ideal, această valoare ar fi zero, ceea ce ar înseamna că învelişul (carcasa) diodei ar fi un conductor şi radiator termic perfect, fiind capabil să transfere energie sub formă de căldură dinspre joncţiune spre mediul exterior (sau spre contacte) fără nicio diferenţă de temperatură existentă în grosimea carcasei. O rezistenţă termică ridicată se traduce prin faptul că dioda va stoca o temperatură excesivă în jurul joncţiunii (punctul critic), în ciuda eforturilor susţinute de răcire a mediului exterior diodei; acest lucru duce la limitarea puterii maxime disipate.
IR – curentul maxim de polarizare inversă, reprezintă valoarea curentului prin diodă la polarizarea inversă şi aplicarea tensiunii de polarizare inversă maximă de curent continuu(VDC). Mai este cunoscut şi sub numele de curent de scăpări. Ideal, această valoare ar fi zero, deoarece o diodă perfectă ar bloca toţi curenţii atunci când este polarizată invers. În realitate, această valoarea este mică în comparaţie cu valoarea curentului maxim de polarizare directă.
CJ – capacitatea tipică a joncţiunii, reprezintă capacitatea intrinsecă joncţiunii, datorită comportării zonei de golire precum un dielectric între anod şi catod. Această valoare este de obicei foarte mică, de ordinul picofarazilor (pF).
trr – timpul de revenire invers, reprezintă durata de timp necesară „stingerii” diodei atunci când tensiunea la bornele sale alternează între polarizare directă şi polarizare inversă. Ideal, această valoare ar fi zero: dioda se „stinge” imediat după inversarea polarităţii. Pentru o diodă redresoare tipică, timpul de revenire este de ordinul zecilor de microsecunde (ms); pentru o diodă de comutaţie rapidă, acest timp poate ajunge la doar câteva nanosecunde (ns).
În concluzie:
Majoritatea acestor parametrii variază cu temperatura sau alte condiţii de operare, prin urmare, o singură valoarea nu poate descrie complet niciun parametru. Prin urmare, producătorii pun la dispoziţie grafice ale variaţiilor parametrilor cu temperatura (sau alte variabile).