Hoofdstuk 3: De diode

Transcriptie

1 Hoofdstuk 3: De diode 3.1. Opbouw van de PN-overgang: De halfgeleider diode wordt ook wel PN-overgang genoemd (fig.3.1). Zij bestaat uit een stukje N-materiaal dat tegen een stukje P-materiaal zit. Zoals we weten is in het N- materiaal een teveel aan elektronen en in het P-materiaal een teveel aan gaten aanwezig. Bij de overgang van het P- en N-gedeelte neutraliseren de vrije negatieve en de vrije positieve ladingen elkaar. In dit gedeelte zijn aldus geen vrije ladingen meer aanwezig en ontstaat er een gedeelte met een zeer hoge weerstand, sperlaag genoemd. In fig.3.2 hebben we de P-kant positief en de N-kant negatief gemaakt door een spanningsbron aan te leggen. De positieve ladingen in het P-gedeelte worden naar beneden gedrukt door de positieve spanning aan de bovenkant. De negatieve ladingen worden naar boven gedrukt door de negatieve spanning aan de onderzijde. De sperlaag wordt dus smaller en de weerstand neemt af. De totale weerstand van de diode is dus zeer laag en er zal een stroom kunnen vloeien. De diode staat op deze manier in doorlaat. In fig.3.3 hebben we een negatieve spanning aan de P-kant en een positieve spanning aan de N-kant gelegd. De positieve ladingen in het P-materiaal worden naar boven getrokken en de negatieve ladingen naar onder. De sperlaag verbreedt en aldus zal de weerstandswaarde van de diode zeer groot worden. De diode zal de stroom niet meer geleiden en staat in sper. A A A + - P P P Sperlaag Sperlaag Sperlaag K N N N - + K K Fig.3.1 fig.3.2 fig Symbool en uitzicht van de diode: Een diode heeft twee aansluitklemmen: kathode en anode. Bij diodes voor een klein vermogen wordt de kathode aangeduid met een stip of een ring op het omhulsel. Bij vermogendiodes is meestal het omhulsel de kathode; veelal zal het symbool om het omhulsel gedrukt worden. De pijl in het symbool geeft de richting aan waarin de diode Hfdst.3, blz.1

2 geleidt voor de conventionele stroomrichting dit is dus, zoals in voorgaande gezien, van plus naar min. (zie fig.3.4) Fig Doorlaat- en sperrichting van de diode: Als we de schakeling van fig.3.5 opbouwen, zien we dat het lampje zal oplichten. De kathode van de diode ligt aan de minklem en de anode aan de plusklem van de bron. De diode staat nu in doorlaat. Dit kunnen we zien aan de pijl van het symbool omdat deze de conventionele stroomrichting aangeeft en deze overeenkomt met de conventionele stroomrichting in het schema. Of een diode al of niet geleidt, kan men gemakkelijk onthouden met het woordje 'KNAP'. KNAP is de afkorting van Kathode Negatief (kathode aan de minklem van de bron), Anode Positief (anode aan de plusklem van de bron). Een diode geleidt indien voldaan wordt aan deze voorwaarde, dus aan het woord KNAP. Fig.3.5 Wanneer we de spanningen over de componenten meten, meten we over de diode een spanningsval van 0,7V, indien we een Si diode gebruiken. Deze spanning is de Hfdst.3, blz.2

3 energie die nodig is om de dunne sperlaag te doorbreken, ontstaan zoals in voorgaande beschreven en de diffusiespanning genoemd. Verhogen we de bronspanning dan zien we dat de spanning over de diode ongeveer dezelfde blijft. De rest van de bronspanning valt over het lampje. Gebruiken we een Ge diode dan zal de spanning over de diode steeds ongeveer 0,3V bedragen. In fig.3.6 is de diode omgekeerd. De kathode ligt nu aan de plusklem en anode aan de minklem van de bron. We zien dat het lampje niet oplicht. Wanneer we nu de spanningen over de componenten meten zien we dat de volledige bronspanning over de diode valt en over het lampje bijna niets. De stroom in de keten is zeer klein (voor Si ongeveer 20 tot 100nA en voor Ge 2 tot 10µA). Dus ondanks de zeer grote weerstand die de diode nu heeft zal er toch een zeer kleine stroom vloeien, lekstroom genoemd. Deze is afhankelijk van de temperatuur. Bij verhogen van de temperatuur zal de stroom ook lichtjes verhogen; dit typeert de negatieve temperatuurscoëfficiënt van de halfgeleider waaruit de diode is gemaakt. We zouden de diode kunnen vergelijken met een Fig.3.6 terugslagklep. In de ene richting zal ze het water wel doorlaten en in de andere richting niet. De doorlaatrichting staat ook meestal aangegeven op de klep door middel van een pijl. In doorlaat zal ook de druk van de veer moeten overwonnen worden door de druk van het water alvorens deze begint te geleiden, dit in overeenstemming met de diffusiespanning die nodig is om de diode te doen geleiden. (zie fig.3.7) Besluit: De diode laat de stroom slechts in één richting door en in de andere niet. De doorlaatrichting wordt aangegeven door de pijl in het symbool van de diode die de conventionele stroomrichting aanduidt De karakteristiek van de diode: (zie fig.3.8) Fig.3.7 Zoals in voorgaande gezien, hebben we kunnen opmaken dat de diode in doorlaatrichting een bijzonder lage weerstand en in sperrichting een bijzonder hoge weerstand heeft. De weerstandswaarden hebben geen constante waarden. Om enig inzicht hierin te verwerven maken we gebruik van een karakteristiek. In de karakteristiek wordt aangeduid hoe de stroom zich gedraagt bij het verhogen van de spanning, dit zowel in doorlaat als in sper. In doorlaatrichting zien we dat bij een spanning van 0,6V voor Si en 0,2V voor Ge de stroom begint te stijgen. De diffusiespanning moet overwonnen worden (te vergelijken met de druk van de veer bij de vergelijking met de terugslagklep). De spanning hiervoor nodig noemt men de drempelspanning. Boven deze spanning zien we dat de stroom bij de minste verhoging van de spanning lijnrecht stijgt en grote waarden kan aannemen. Hierbij kan de maximale toelaatbare stroom in doorlaat van de diode overschreden Hfdst.3, blz.3

4 worden en de diode vernietigen. We moeten dan ook deze stroom beperken in de diode door een weerstand in serie in de schakeling op te nemen. In sperrichting zien we dat er slechts een zeer kleine stroom vloeit en dit tot een bepaalde spanning. We noemen deze stroom de lekstroom. Boven deze bepaalde spanning, doorslagspanning genoemd, gaan de sperrende eigenschappen van de diode volledig verloren. Er ontstaat een grote stroom die in de praktijk de diode meestal zal vernietigen. Ook de temperatuur van de diode speelt een voorname rol, zowel in doorlaat als in sper. Bij verhoging van de temperatuur in doorlaat zal de diode voor eenzelfde spanning een grotere stroom voeren (afname van de diodespanning met 2mV/graad Celsius). In sperrichting zal bij verhoging van de temperatuur van de diode een grotere lekstroom het gevolg zijn (verdubbeling van de lekstroom elke verhoging van 10 graden Celsius). Fig Doormeten van de diode: Door middel van een Ohmmeter of een diodetest van een multimeter kan op een eenvoudige manier gezien worden of een diode nog bruikbaar is. Bij het uitmeten met een Ohmmeter gaan we de diode eerst in de ene en dan in de andere richting aansluiten. In de ene richting zal de diode doorlaten en dus een kleine weerstandswaarde aanduiden en in de andere richting sperren en dus een zeer grote weerstandswaarde (oneindig) aanduiden. Komt onze meting hiermee overeen dan Hfdst.3, blz.4

5 hebben we te doen met een goede diode. Vermits in de meeste moderne multimeters een diodetest aanwezig is, zullen we op de meting met de Ohmmeter niet verder ingaan. Met de diodetest op een multimeter kunnen we op een meer efficiënte wijze halfgeleiders uitmeten. De stand diodetest wordt meestal met het symbool van de diode aangegeven. De "com"-ingang van dergelijke meter vertegenwoordigt meestal de minklem van de batterij die in de multimeter aanwezig is; de "V"- of "Ω"-ingang de plusklem. Fig.3.9 Wanneer we nu de anode van de diode aan de "Ω"-ingang en de kathode van de diode aan de "com"-ingang van de meter aansluiten zullen we de diode in doorlaat meten. De meter geeft een aanduiding die overeen stemt met de diffusiespanning van de diode. Sluiten we de diode andersom aan, zal ze in sper aangesloten zijn en de meter zal niets aanwijzen (zie fig.3.9). Door het meten met een digitale multimeter kunnen we aldus een drietal gegevens te weten komen: 1. Het goed of slecht zijn van de diode; 2. Si of Ge diode; 3. de aansluitklemmen van de diode Voornaamste specificaties: Vermits de enige beperking bij een diode in doorlaat de stroom is, daar de spanningsval altijd rond de 0,7V voor Si en 0,3V voor Ge bedraagt, moeten we er op letten dat de stroom door de diode de maximum stroom niet overschrijdt. Dit gegeven kunnen we terugvinden in de documentatie van de fabrikant, die hij meestal samenbundelt in een boek. Bijvoorbeeld zullen we voor een diode met het typenummer 1N4006 een maximum doorlaatstroom van 1A vinden. Voor een diode met het typenummer 1N4148 bedraagt dit 75mA. Aangezien er over de diode een bepaalde spanning staat en er een bepaalde stroom doorloopt, zal de diode opwarmen. Een te hoge temperatuur (boven de 140 C) beschadigt de diode. Vandaar dat montage op een koelplaat dikwijls noodzakelijk is voor vermogendiodes. Men spreekt bij diodes en in het algemeen bij halfgeleiders over de toegestane warmteontwikkeling of toegestane dissipatie. In de karakteristiek van fig.3.10 wordt het gebied waarin teveel warmte wordt geproduceerd rechts van lijn A weergegeven. De lijn zelf noemt men de dissipatiehyperbool. Het is de verzameling van punten waarop de maximum Hfdst.3, blz.5

6 toegestane dissipatie wordt bereikt. Uitgaande van de max. dissipatie van de diode en de eventuele spanningsval kunnen we elk punt van deze lijn berekenen. Voorbeeld in de figuur: gegeven: Pmax=15W; oplossing: We nemen U = 1V => I = Pmax/U = 15/1 = 15A We nemen U = 2V => I = 15/2 = 7,5A We nemen U = 3V => I = 15/3 = 5A In sper heeft de diode een zeer grote weerstand en zal er bijgevolg slechts een zeer kleine lekstroom kunnen vloeien. Tengevolge van deze grote weerstand zal de bronspanning vrijwel geheel over de diode komen te staan. Van belang is nu dat de aangelegde spanning de maximum sperspanning van de diode niet overschrijdt, daar de diode dan zal doorslaan en onherroepelijk defect zal zijn. Voor een diode met het typenummer IN4006 is de max. sperspanning 800V, voor een 1N V toepassingen van diodes: Diodes vinden hun toepassing in gelijkrichting en beveiligingen. Gelijkrichting is een specifiek veelvuldig gebruikte toepassing en zal in een later hoofdstuk besproken worden beveiliging tegen omwisseling van de bronspanning: Fig.3.11 De meeste IC's of elektronische apparaten zijn tegen het verkeerd aansluiten van de gelijkspanning niet opgewassen. Door het plaatsen van een diode in serie zoals fig.3.11 beveiligen we de schakeling. Bij het verkeerd aansluiten van de spanning zal de minklem van de batterij aan de anode van de diode komen te liggen, waardoor de diode in sper komt te staan en geen stroom voert. Helaas heeft deze schakeling een nadeel: over de diode gaat nutteloos spanning verloren. Bij Si diodes is dat 0,6 tot 0,8V, afhankelijk van de stroom. Bij lage batterijspanningen is dit een groot verlies. Ook kan het zijn dat het verlies aan spanning de goede werking van het IC of de schakeling in het gedrang brengt Vonkblussing bij schakelcontacten: Bij het gebruik van een zelfinductie (relais) kan bij het onderbreken van de spanning, hoge zelfinductiespanningen ontstaan. Hierdoor krijgen we vonkvorming over de contacten van een mechanische schakelaar of doorslag bij een elektronische schakelaar (vb. transistor). In fig.3.12 doet de diode dienst als afkapper van de optredende inductiespanning. Bij het openen van de schakelaar zal de stroom plots nul worden. VoIgens de wet van Lenz (zie elektriciteit) zal de spoel de stroom willen in stand houden. Er zal dus een zelfinductiespanning opgewekt worden die in serie zal staan met de bron om aldus de stroom in stand te houden. Dit plots wegvallen van de stroom kan zeer hoge Hfdst.3, blz.6

7 zelfinductiespanningen tot gevolg hebben. De polariteit is aangegeven in de figuur. De min van deze spanning komt nu aan de kathode te liggen van de diode en de plus aan de anode. De diode staat nu wat betreft de zelfinductie in doorlaat en sluit deze kort zodat de spanning vanwege deze zelfinductie niet kan oplopen. Fig Druktoetsschakeling: Fig beveiliging van een draaispoelmeter: Wordt druktoets S1 ingedrukt dan wordt relais A bekrachtigd. De diode staat in sper en kan relais B niet bekrachtigen. Wordt S2 ingedrukt dan worden relais A en B bekrachtigd. De diode staat nu in doorlaat. Zonder de diode is de werking van deze schakeling niet te realiseren met enkelpolige drukknoppen. (zie fig.3.13) Fig.3.14 Wanneer de draaispoelmeter bij volle meteruitslag 500mV nodig heeft, kunnen we over de meter een diode aansluiten volgens fig Als de spanning aan de meter aangelegd kleiner is dan 600mV, geleidt de diode niet. Wordt de spanning groter dan 600mV geleidt de diode en beschermt aldus de meter Soorten diodes: Er zijn verschillende soorten diodes: -Junctiediode; -Puntcontactdiode; -Zenerdiode; -Capaciteitdiode; Hfdst.3, blz.7

8 -Tunneldiode; -Schakeldiode; -Seleniumcel; -Microgolfdiode; -Frigistor; -Schottky-diode; -Fotodiode; -Zonnecel; -Laserdiode; -Pin-diode; -LED. Hetgeen hier gegeven wordt is een overzicht van de verschillende soorten. Het valt buiten het bestek van deze cursus om elke diode afzonderlijk te bespreken. Elke diode heelt zijn toepassing. De diodes die veelvuldig voorkomen zijn de junctiediode, zenerdiode en de LED. Voor de junctiediode kunnen we al het voorgaande in aanmerking nemen en is verdere bespreking niet nodig Zenerdiode: Fig.3.15: Symbool en uitzicht van de zenerdiode Bij een gewone diode in sper zal bij het overschrijden van de doorslagspanning de diode kapot gaan. In de handel zijn er nu speciale diodes te verkrijgen die ervoor dienen om in het doorslaggebied (zenergebied genoemd) gebruikt te worden: de zenerdiodes. Zenerdiodes zijn altijd van Silicium. De karakteristiek van dergelijke diodes zien we in fig In doorlaat zal de zenerdiode zich op dezelfde manier gedragen als een gewone diode. In sper daarentegen zal, wanneer de doorslagspanning, zenerspanning wordt overschreden, de stroom zeer sterk toenemen bij de minste verhoging van spanning. Wanneer de stroom beperkt wordt door het bijplaatsen van een weerstand zal de zenerdiode niet defect gaan en bijzondere eigenschappen vertonen. In de karakteristiek kunnen we zien dat bij het bereiken van de zenerspanning en het verhogen van de stroom de zener praktisch niet verandert van spanning. Dit betekent dat als we de zener belasten volgens schema van fig.3.17 de spanning over de zener en dus ook over de belasting niet verandert. Wanneer we de bronspanning veranderen zal de spanning over de zener steeds dezelfde blijven binnen bepaalde mate. Op deze manier houden we de spanning over de belasting, dus de uitgangsspanning constant. We noemen dit het stabiliseren van de uitgangsspanning. Stabiliseren wil dus zeggen: de uitgangsspanning constant houden ongeacht de verandering van de bronspanning en ongeacht de verandering van de belasting binnen bepaalde mate. Voor deze reden worden zenerdiodes dan ook altijd in sper gebruik. Hfdst.3, blz.8

9 Fig.3.16: karakteristiek van een zenerdiode Fig.3.17: aansluitschema van een zenerdiode Zenerdiodes zijn verkrijgbaar met een zenerspanning van 2,4V tot 270V. Het maximum vermogen kan gaan tot 150W. Het uitzicht is hetzelfde als bij een gewone diode. De zenerdiode wordt gebruikt voor spanningsstabilisatie en beveiligingsschakelingen LED: LED staat voor de afkorting "Light Emitting Diode" of lichtgevende diode. Ze wordt in doorlaatrichting gebruikt. De LED is verkrijgbaar in verschillende kleuren (rood, geel, groen, blauw), is klein van afmetingen, niet duur en heeft een lange levensduur (door de afwezigheid van een gloeidraad). Hij wordt dan ook veelvuldig gebruikt als controlelampje. De LED straalt weinig licht uit maar dit wordt versterkt door een lensje vooraan. Om de doorlaatrichting te bepalen zijn er vier manieren (zie ook fig.3.19): Fig.3.18: symbool van een LED 1. De langste aansluitklem is de anode; 2. De aansluitklem met de verdikking is de anode; 3. De platte zijde aan de behuizing is de kathode; 4. Wanneer we door de behuizing kijken is de overhangende zijde van de aansluitklem de kathode. Hfdst.3, blz.9

10 In het gebruik heeft de LED wel enige beperkingen. Om beschadiging tegen te gaan mag de max. sperspanning van 4V tot 10V niet overschreden worden. We moeten er dan ook voor zorgen dat de LED steeds in doorlaat geplaatst wordt. In doorlaat zal de LED beginnen te geleiden bij een spanning van ongeveer 1,6V (zie karakteristiek: fig.3.20) en de stroom zal dan snel toenemen zodat een voorschakelweerstand nodig is. De stroom nodig om een LED te doen oplichten ligt ongeveer bij de 20mA en de werkspanning bij deze stroom is afhankelijk van de kleur van diode: rode LED 1,7V tot 2V, groen 2,5V, geel 2,8V. Fig.3.19: vaststellen van de anode en kathode bij de LED In het schema van fig.3.21 kunnen we de voorschakelweerstand voor een rode LED als volgt berekenen: Urv = Ub - Uled Rv = Urv / Iled Vermits we te doen hebben met een serieschakeling is de stroom in de keten de stroom van de LED waarbij deze voldoende oplicht, dus 20mA. Fig.3.20: Karakteristiek van een LED. De drempelspanning is aanmerkelijk hoger dan die van een gewone diode. Fig.3.21: Aansluitschema van een LED: steeds anode aan de plusklem en kathode aan de minklem. Toepassingen met de LED: A. Polariteitstester: Door een rode LED antiparallel te schakelen aan een groene LED kunnen we op een eenvoudige wijze de polariteit bepalen van een bepaalde gelijkspanning (zie fig.3.22). Is de plusklem aan de bovenkant van de schakeling aangesloten dan zal de rode LED Hfdst.3, blz.10

11 geleiden daar zijn anode aan de plus ligt. Er zal een stroom lopen door de LED die beperkt wordt door de weerstand. Over de rode LED heerst een spanning van 1,7V. De groene LED die hierover parallel staat en in sper zal deze spanning ook over zijn klemmen krijgen en aldus niet kapot gaan. Door de groene LED kan geen stroom van belang vloeien daar deze in sper een grote weerstand heeft. Keren we de polariteit van de bronspanning om, dan ligt de min van de bron van boven. De anode van de rode LED ligt aan de min en zal niet geleiden, dus niet oplichten. De groene LED heeft de min aan de kathode liggen en zal geleiden, dus oplichten. De stroom door de groene LED wordt beperkt door de weerstand. De spanning over de groene LED is 2,5V Fig.3.22: polariteitstester en is tevens de spanningsval over de rode LED, daar deze parallel staat. Op deze wijze zal de rode LED niet kapot gaan daar de spanning over zijn klemmen de maximum sperspanning niet overschrijdt. B. LED aansluiten op wisselspanning: Fig.3.23 Fig.3.24 In figuur 3.23 worden twee LED's in serie aangesloten op de wisselspanning. De maximum sperspanning van een LED bedraagt 4V. De negatieve golven van de netspanning hebben een veel hogere waarde en kunnen aldus niet getolereerd worden. Vandaar dat we een diode antiparallel schakelen over de LED's. De maximum spanning over de LED's is dan gelijk aan de doorlaatspanning van de diode (0,7) daar ze parallel staan over de diode. De positieve golven sperren de diode en plaatsen de LED's in doorlaat. De LED's lichten dus op enkel bij de positieve alternanties. Alhoewel de stroom 50 maal per seconde onderbroken wordt, krijgen we toch een flikkervrij licht. De stroom in de keten is 20mA en zal beperkt worden door de weerstand. Ondanks de kleine stroom zal het vermogen van de weerstand groot moeten zijn (10W), dit is te wijten aan de spanning die hij over zijn klemmen krijgt. De spanning over de twee LED's bedraagt 2 X 1,7V = 3,4V, terwijl de rest (max. spanning van de sinus) over de weerstand komt te staan. Hfdst.3, blz.11

12 We kunnen een weerstand met een kleiner vermogen gebruiken, maar dan moeten we een condensator in serie met de weerstand opnemen (fig.3.24). Daar de weerstand van de condensator afhankelijk is van de frequentie, zal deze zich instellen op een bepaalde waarde afhankelijk van de frequentie. De spanning over de weerstand zal dan kunnen verkleinen waardoor een kleiner vermogen voor de weerstand (1W) mogelijk wordt. Hfdst.3, blz.12