Dioda semiconductoare

Panta fizică în raport cu axa curentului este constantă pe o plajă largă de valori U-I, reprezentInd numeric tocmai rezistenţa electrică a elementului, conform legii lui Ohm:

In cazul elementelor neliniare, In particular In cazul diodei semiconductoare, rezistenţa electrică nu mai este constantă, ea depinzInd de valoarea şi de sensul tensiunii aplicate. Revenind la fig. 6, observăm că pentru valori foarte mici (cî-teva zecimi de volt) ale tensiunii directe, graficul prezintă o curbură pronunţată. Este vorba de domeniul In care se produce scăderea barierei de potenţial pe joncţiune, pInă la dispariţie. In continuare, graficul se apropie mult de o linie dreaptă, urmele de neliniaritate avInd substratul In scăderea rezistenţei regiunilor P şi N, ca efect al Incălzirii lor prin trecerea curentului direct.
In polarizare inversă, curentul creşte la Inceput brusc, ca rezultat al scăderii curentului de difuzie, conform celor discutate în capitolul anterior. Creşterea In continuare a curentului se datorează încălzirii joncţiunii, precum şi unui proces de reproducere în avalanşă a purtătorilor de sarcină (ionizarea atomilor din reţeaua cristalină prin impact cu electronii acceleraţi de tensiunea inversă mare).

La o anumită valoare a tensiunii inverse, joncţiunea se străpunge, fenomen Insoţit de o scădere bruscă a rezistenţei joncţiunii şi de o creştere rapidă a curentului invers. Străpungerea joncţiunii poate fi electrică (porţiunea ABC a caracteristicii), cîndIn structura sa nu se produc transformări ireversibile, sau termică (porţiunea punctată CD), echivalentă cu distrugerea joncţiunii. Există dispozitive semiconductoare şi montaje practice special concepute pentru a funcţiona In zona de străpungere electrică a caracteristicii.

După cum am arătat In introducerea acestui serial, dispozitivele semiconductoare — deci, implicit, şi diodele — prezintă o dependenţă pronunţată de temperatură a parametrilor lor electrici. Creşterea temperaturii ambiante accelerează crearea purtătorilor de sarcină, ducîndla sporirea conductivităţii electrice a joncţiunii semiconductoare. Acelaşi fenomen se produce şi atunci cîndcreşterea temperaturii capsulei nu se da-dorează mediului ambiant, ci propriei funcţionări a dispozitivului, In condiţii de suprasolicitare.

In fig. 8 este ilustrată variaţia cu temperatura, de la 20°C la 50°C, a caracteristicii tensiune-curent pentru o joncţiune cu germania Se observă creşterea curenţilor (direct — if şi invers — ir) pentru aceleaşi valori ale tensiunilor de polarizare, în special a celui invers, care la fiecare cea 10°C în plus îşi dublează valoarea din grafic se observă, de asemenea, scăderea tensiunii inverse de străpungere a diodei cu creşterea temperaturii.

Arătam la Inceputul serialului că dependenţa pronunţată de temperatură este un dezavantaj al dispozitivelor semiconductoare. Există însă şi situaţii în care această proprietate a diodelor permite utilizarea lor ca elemente de compensare termică (de exemplu, la amplificatoarele în contratimp, Intre bazele tranzistoarelor finale) sau ca traductoare de temperatură (în termometre electronice, ter-mostate etc.).

Din punct de vedere practic, dependenţa de temperatură trebuie avută în vedere la sortarea şi măsurarea diodelor. Simplul fapt că ţinem In mInă o diodă în timpul măsurării rezistenţei inverse poate afecta valoarea determinării Datele din cataloage corespund, de regulă, temperaturii de 25°C.

Am văzut că joncţiunea PN (sau dioda semiconductoare) se caracterizează printr-o conductivitate electrică foarte redusă în polarizare inversă şi mare în polarizare directă. Reciproc, rezistenţa diodei este foarte mare în polarizare inversă şi mică în polarizare directă. Aceastâ comportare face ca diodele să fie utilizate, în majoritatea cazurilor, ca elemente de redresare a curentului alternativ, în numerele 4-8/1978 ale revistei noastre a fost prezentat un serial privind redresarea şi în continuare nu vom face decît unele completări de interes practic.

Reprezentarea simbolică a unei diode este dată în fig. 9. Terminalul dinspre baza săgeţii se numeşte anod, iar cel dinspre bara transversală se numeşte catod.

Conducţia directă are loc atunci cînd anodul este legat la plus şi catodul la minusul tensiunii externe de polarizare. Cea mai simplă schemă de redresare este prezentată în fig 10 şi constă dintr-o diodă D şi un rezistor de sarcină Rs, legate în serie cu sursa de tensiune alternativă U. Dioda va conduce numai în semiperioadele care au potenţial pozitiv în punctul A (faţă de B).

Pentru a nu greşi niciodată la conectarea diodelor, se va reţine că plusul «intră» prin baza săgeţii şi «iese» prin bara transversală.

La verificarea şi la utilizarea diodelor trebuie avută grijă ca în serie cu ele să se monteze întotdeauna o rezistenţă de limitare a curentului (direct) sub valoarea maximă admisă (nu se conectează niciodată dioda direct la sursa de tensiune). Valoarea minimă a rezistenţei de limitare se stabileşte împărţind tensiunea de alimentare la curentul maxim admis. De exemplu, pentru a verifica la 12 Vc.c. o diodă de 0,2 A se va lega în serie cu ea o rezistenţă de minimum 60 ohmi.

In conducţie directă şi în condiţiile unei funcţionări în zona liniară a caracteristicii, dioda se comportă ca o rezistenţă electrică (variabilă cu temperatura). Conform legii lui Ohm, prin trecerea curentului electric va apărea la bornele diodei o cădere de tensiune Ud, care pentru majoritatea tipurilor de diode se situează sub 1V (cca 0,3V pentru joncţiunile cu germaniu şi cca 0,7V pentru cele cu siliciu).

Această cădere se poate neglija atunci cîndlucrăm cu tensiuni mari (zeci sau sute de volţi), ea intervenind semnificativ numai la redresarea tensiunilor mici şi foarte mici Să considerăm, de exemplu, cazul din fig 11, In care se foloseşte o punte cu siliciu D1-D4 pentru redresarea tensiunii alternative U=6V (valoare eficace) Deoarece fiecare alternanţă străbate două diode înseriate pentru a ajunge la rezistorul de sarcină, căderea de tensiune pe punte va fi de cea 2 x 0,7 V = 1,4 V. Cu alte cuvinte, valoarea tensiunii continue aplicate pe rezistorul Rs va fi de 6 V – 1,4 V = 4,6 V, adică substanţial redusă. In astfel de situaţii sunt preferabile diodele cu germaniu.

Referitor la acest montaj vom face două observaţii importante. In primul rînd, se ştie că redresarea este aproape întotdeauna urmată de o filtrare (netezire), obţinută prin conectarea unui condensator în paralel pe ieşirea punţii respectiv în paralel pe sarcină (linia punctată). Pentru o valoare suficient de mare a capacităţii, tensiunea continuă la bornele lui Rs poate ajunge pînă la radincal2*U, adică pînă la valoarea de vîrf a tensiunii alternative (în cazul nostru, 1,41-6 V -8,46 V), din care se scade căderea pe diode: 8,46 V-1,4 V= 8,06 V. Această creştere aparentă a tensiunii prin red re-sare-filtrare îi pune, adeseori, în încurcătură pe constructorii începători, care uită sau nu cunosc deosebirea dintre valoarea de vîrf a tensiunii alternative (sau valoarea maximă, sau amplitudinea) şi valoarea eficace (aceasta din urmă fiind indicată de voltmetrele ca.).

A doua observaţie se referă la momentul punerii în funcţiune a montajului cînd condensatorul se încarcă brusc de la puntea redresoare. Curentul absorbit în acest interval scurt de timp poate depăşi cu mult limita admisibilă a diodelor (în special la capacităţi mari de filtrare), ducînd la distrugerea lor. Există două soluţii pentru prevenirea unor astfel de accidente, şi anume utilizarea unor diode de putere mai mare decît cea solicitată de montaj sau introducerea unor rezistenţe de limitare la ieşirea din punte, înainte de condensator La ora actuală, cînd diodele de putere sînt larg răspîndite, prima soluţie este de preferat, rezistenţele adiţionale preluînd o parte din tensiunea redresată şi făcînd ca la ieşire tensiunea să varieze mai pronunţat în funcţie de curentul consumat.

Am văzut că, prin creşterea temperaturii rezistenţa diodei (directă şi inversă) scade. Aceasta nu afectează apreciabil redresarea, rezistenţa de sarcină Rs avînd. de obicei valori cu mult mai mari decît rezistenţa directă a diodei şi cu mult mai mici decît rezistenţa inversă în cazurile extreme (rezistenţe de sarcină foarte mici sau foarte mari), efectul temperaturii devine perceptibil sau chiar supărător: pulsurile inverse cresc în amplitudine şi eficienţa redresării scade.

Pentru a putea utiliza diodele semiconductoare în diferitele montaje de redresare este necesară cunoaşterea prealabilă (din catalog) a unor caracteristici ca: tensiunea inversă maximă, Urmax; curentul direct maxim, Ifmax; temperatura maximă, Tmax; frecvenţa maximi de lucru, fmax.

Este bine ca întotdeauna să ne luăm măsuri de precauţie, alegînd tipuri de diode cu limite mai mari decît condiţiile în care urmează să funcţioneze.

CONECTAREA ÎN SERIE ŞI ÎN PARALEL

Există anumite situaţii practice cînd se impune conectarea a două sau mai multe diode în serie sau în paralel Dispersia mare a parametrilor individuali, chiar printre diodele de acelaşi tip, complică lucrurile, impunînd luarea unor măsuri de precauţie.
Reamintim că prin conectarea în serie a două sau mai multe rezistenţe, R1 * R2 * … * Rn,se obţine o rezultantă R egală cu suma componentelor, R = R1 + R2 + … + Rn, iar la conectarea în paralel, rezultanta are valoarea dată de relaţia

Conectarea in serie a diodelor este impusă atunci cînd tensiunea de lucru (ne referim la valoarea de vîrf a tensiunii al ternative) depăşeşte limita maximă ad misibilă (Ur max) a diodelor de care dis punem Să considerăm, de exemplu, că avem de redresat tensiunea alternativă cu valoarea de vîrf de 500 V (deci cu valoarea eficace de cea 355 V) şi dispunem de diode cu tensiune inversă maximă de 300 V. Prin înseriere, rezistenţele inverse ale diodelor se adună şi conform legii lui Ohm, căderea de tensiune (in versă) pe o diodă ar trebui să fie de n ori mai mică (n — numărul diodelor legate în serie) în exemplul nostru deci două diode înseriate ar părea în deplină siguranţă, fiecăreia revenindu-i o cădere de tensiune de 250 V, sub limita maximă admisibilă.

(CONTINUARE ÎN NR. VIITOR)