Dióda

Dióda je dôležitý a v obvodoch používaný element (dvojpól - má dva vývody alebo tiež predstvuje jednovstupové zariadenie - jednobran). Je to tiež prvok:

• pasívny (na rozdiel od zdoja prúdu alebo napätia, ktoré sú aktívne dvojpóly) a
• nelineárny (napr. na rozdiel od rezistora, ktorého odpor lineárne charakterizuje vzťah medzi napätím na rezistore a pretekajúcim prúdom cez rezistor)

Obr. 1 Symbolická značka diódy a jej V-A charakteristika. Smer šípky symbolu (od anódy ku katóde) zodpovedá smeru prúdu v priamom priepustnom smere:  Forward - priepustný smer diódy. V oblasti vyššich napätí ako 0,5V - 0,8V predstavuje dióda vodič s malým odporom RDF. Reverse - záverný, nepriepustný smer diódy s veľkým odporom RDR. Záverný prúd je rádove nA  až do určitého tzv. prierazného napätia. Normálne sa dióda používa pri nižšich napätiach ako je prierazné, okrem technologicky špeciálne upravenej tzv. Zenerovej diódy, ktorá využíva tento úsek V-A charakteristiky na stabilizáciu napätia.

F Fyzikálny princíp  diódy

• Polovodič typu P a N, 
• Polovodičový prechod P-N 
• Dióda a Zenerova dióda 
• Princíp stabilizátora, obmedzovača, usmerňovača a zdvojovača napätia

F Náhradný obvod diódy

Pri analýze obvodu s diódou ako nelineárnym prvkom možno použiť :

• hlavne pre jednoduché obvody s 1 diódou - grafickú metódu (podobne ako v príklade 1b);
• pri malej amplitúde signálu -  nahradiť charakteristiku diódy v okolí pracovného bodu lineárnym rezistorom  r_DF ,odpor ktorého možno určiť z  Fanalytickej aproximácie charakteristiky diódy. Takýto náhradný obvod možno doplnený o ďalšie F dynamické parametre tak, aby bol vhodný na charakterizovanie diódy pri vysokých frekvenciach signálu, resp. pri  rýchlych prechodových javoch.
• pri veľkej amplitúde signálu linearizované časti charakteristiky diódy ako Fventilu v oblasti vodivej (R_DF a U_DF), nevodivej (R_DR) a Zenerovej (R_ZD a U_ZD).

Príklad ilustrujúci funkciu diódy

Obrázok 1b. ilustruje použitie náhradného obvodu diódy pre veľkom signále (V-A charakteristika je aproximovaná úsečkou, ktorá presekáva os u v hodnote U_DF~0,6V a má smernicu ~1/R_DF)
 

Obr. 1b. Ilustrácia použitia náhradného obvodu diódy s hľadiska veľkého signálu na určenie prúdu v obvode. (V najjednoduchšom prípade použitia náhradného obvodu pri veľkých amplitúdach, ktorý je použitý na obrázku, je RDF=0 a teda pre amplitúdy Uin>>0,6V dióda funguje ako ventil, resp. spínač).

Dióda ako usmerňovač

Usmerňovač sa používa na úpravu striedavého prúdu na jednosmerný. Je to najrozšírenejšie zapojenie využívajúce diódy.

Obr. 2. Jednocestný usmerňovač s diódou (a). Vstupné napätie sínusového tvaru (ac) s amplitúdou omnoho väčšou ako UDF~0,6V po prechode cez kremíkovú diódu bude mať na výstupe uvedený tvar (b). Využíva sa na usmernenie len jedna polovlna sínusového vstupného napätia - odtiaľ názov jednocestný usmerňovač.

 

Obr. 3. Dvojcestný mostíkový usmerňovač s diódou, využívajúci na usmernenie obidve polovlny napätia sínusového tvaru. Medzery medzi polovlnami výstupného priebehu napätia spôsobuje úbytok napätia na vodivej dióde. V procese usmerňovania v môstikovom zapojení diód sú vždy dve diódy v sérii vodivé.

Filtrácia v napájacom zdroji

Výstupy zo zapojení na obr. 2 a 3 nemôžu byť priamo používané ako jednosmerné zdroje, nakoľko sú jednosmerné len v zmysle nemenosti polarity napätia. Majú veľké zvlnenie (periodické kolísanie amplitúdy okoly ustálenej hodoty), ktoré treba vyhladiť (pomocou dolnopriepustného RC filtra podľa obrázku 4) ak chceme získať ekvivalent jednosmerného zdroja.

Obr. 4.  Dvojcestný mostíkový usmerňovač s filtrom RC (Realne nie je treba sériový odpor R. Ak sa zapája malý odpor R tak len na ohraničenie špičky nabíjacieho prúdu cez kondenzátor C.) Kondenzátor sa volí s ohľadom na zoslabenie zvlnenia o frekvencii f pri určitej záťaži RL tak, aby RLC>>(1/f). Odpor RL charakterizuje vlastne veľkosť (strednej hodnoty) prúdového odberu IL z usmerňovača.

Pre ohodnotenie malej amplitúdy pulzujúceho zvlnenia (pri odporovej záťaži) možno predpokladať , že vybíjací prúd I=C(dV/dt) je stály a aproximovať exponenciálny priebeh zmeny napätia na kondenzátore lineárnym priebehom DU=IDt/C. Potom už len záleží od typu usmerňovača či bude pre jednocestný usmerňovač Dt~(1/f) alebo pre dvojcestný usmerňovač Dt~(1/2f), takže amplitúda zvlneného priebehu (špička-špička):

DU=I/(fC) - (pre jednu polovlnu)

DU=I/(2fC) - (pre obe polovlny)

Zapojenia usmerňovačov pre napájacie zdroje

Obrázok 5 ilustruje mostíkové zapojenie usmerňovača, často v praxi používané v tvare integrovaného modulu pre prúdy do 1A a prierazné napätia od 100V do 1000V, ako aj vo výkonovom prevedení pre prúdy do 25A.

Obr. 5. Zapojenie dvojcestného  mostíkového usmerňovača; usmerňovača pre transformátor so symetrickým sekundárnym vinutím. Každá polovina sekundárneho vinutia sa používa len pri jednej polovlne - avšak v tomto vinutí počas intervalu polovlny bude tiecť dvojnásobne väčší prúd ako pri mostíkovom zapojení. Nakoľko ohrev transformátora závisí od výkonu I2R, bude sa transformátor v tomto zapojení 4 krát viac ohrievať. S ohľadom na efektivitu treba, aby bol transformátor nadimenzovaný na prúdy (2)0,5 krát väčšie ako transformátor pre mostíkové zapojenie.

Na dvojcestné usmernenie možno použiť aj zapojenie na obr. 5b so symetrickým "jednofázovým" napájaním, ktoré zabezpečuje, že v každej polovne je vodivá len jedna z diód.
 

Zdroje so symetrickým napätím
 

Na obrázku 6 je zobrazené často používané zapojenie mostíkového "jednofázového" dvojcestného usmerňovača, na výstupe ktorého možno získať symetrické rovnaké napätie s opačnou polaritou. Zapojenie je efektívne, pretože pri každej polovlne využíva obe polovice sekundárneho vinutia.

Obr. 6. Zapojenie  mostíkového "jednofázového" dvojcestného usmerňovača na získanie symetrického napätie s opačnou polaritou. Zdvojovača napätia

Zapojenie zobrazené na obrázku 6b sa nazýva zdvojovač napätia. Na lepšie pochopenie jeho funkcie si treba predstaviť, že sú to 2 jednocestné usmerňovače sériovo zapojené. V skutočnosti zapojenie využíva obe polovlny a jeho zvlnenie bude mať dvojnásobnú frekvenciu (100Hz pri napájaní zo siete 50Hz).
 

Obr. 7. Rôzne varianty násobičov napätia:  zdvojovač;  strojovač;  násobič štyrmi. Jeden koniec sekundárneho vinutia je vždy uzemneý

Modifikáciou základného zapojenia z obrázku 6b možno zväčšiť výstupné napätie 2, 3 a 4 krát. Na obrázku 7 sú zobrazené rôzne násobiče napätia.

F Kontrola vlastností diódového usmerňovača a stabilizátora v praktikovej úlohe 6

Príklad ilustrujúci funkciu Zenerovej diódy ako stabilizátora.
 
 

	Obr. 8a. V-A charakteristika Zenerovej diódy (využíva záverný smer v oblasti prierazu charakteristiky diódy)
	Obr. 8b. Jednoduché zapojenie stabilizátora napätia so Zenerovou diódou.

Zenerova dióda sa používa ako jednoduchý stabilizátor napätia, nakoľko v závernej časti od určitého napätia U_ZD je prúd cez diódu prechádzajúci približne konštantný (jej dynamický odpor R_ZD, charakterizovaný sklonom V-A charakteristiky v tejto oblasti je veľmi malý - obr.8a.). Napr. Zenerova dióda môže mať pri prúde 10mA a napätí 5V dynamický odpor okolo 10W. Potom 10% zmena cez diódu prechádzajúceho prúdu DI spôsobí zmenu napätia:

DU= RZDDI=10*0,1*0,001=10mV

alebo DU/U=0,002=0,2%

Stabilizátor napätia so Zenerovou diódou (obr. 8b.) sa pri dostatočne veľkom vstupnom napätí U_in správa ako napäťový delič, v ktorom je dióda nahradená jej dynamickým odporom R_ZD.

Prúd cez diódu: I=(Uin-Uout)/R a jeho zmena DI=(DUin-DUout)/R, takže DUout= RZDDUin/(R+RZD)

Stabilizátory napätia

Pomocou voľby veľkého filtračného kondenzátora na výstupe usmerňovača možno zmenšiť zvlnenie výstupného napätia. Nevýhody tohto spôsobu:

1. Potrebná kapacita môže byť príliš veľká a kondenzátory mať príliš veľké rozmery;
2. Aj keď sa podarí vyfiltrovať zvlnenie objavia sa pri kolísaní vstupného striedavého napätia alebo pri zmenách výstupného prúdu fluktuácie výstupného napätia.

	Obr. 9a. Klasické zapojenie jednosmerného zdroja so stabilizátorom napätia.
	Obr. 9b. Príklad integrovaného stabilizátora typu 78xx s pevným výstupným napätím.  Obvody 78xx umožňujú maximálny odber výstupného prúdu do 1A, majú vnútornú poistku proti preťaženiu a prehriatiu.
	Obr.9c.Spôsob na zväčšenie prúdového odberu pomocou vonkajšieho tranzistora. (Do odberu prúdu 100mA je úbytok napätia na odpore R1 menší ako 0,6V a tranzistor je zatvorený. Pre správnu funkciu musí byť na minimálny rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím ~2V (na 78xx) + UBE).

Obr.9c. Použitie stabilizátora s pevne nastaveným napätím ako zdroj meniteľného napätia: so štvorvývodovým obvodom, ktorý má špeciálny ovládací vývod s napätím ~5V (R1 môže byť potenciometer, podobne ako v prípade b); s trojvývodovým obvodom, u ktorého treba zabezpečiť medzi výstupom out a ovládacím vstupom ADJ napätie ~1,25V. (Prúd na ovládanie je malý od 50 do 100mA.). Regulované výstupné napätie Uout=1,25{1+R2/R1] v rozmedzí od 1,25 do 25V..

Príklady použitia diód

• Usmernenie signálu

Obr. 10. Príklad generovania impulzov jednej polarity.

Obr. 11. Vylepšený variant zapojenia z obr. 10. Priamu polarizáciu diódy D2 zabezpečuje predpätie 0,6V, dosiahnuté pomocou vodivej diódy D1 .Prednosťou zapojenia je, že potrebné napätie ~0,6V sa automaticky nastaví a zabezpečuje potrebnú kompenzáciu pri zmene teploty.)

• Dióda vo funkcii spínacieho hradla

Obr. 12. Príklad zálohovania napájacieho zdroja z baterie pre napájanie elektronických hodin.

• Diódový obmedzovač

Obr. 13. Obmedzovač amplitúdy signálu väčšej ako 5,6V (5V+ Si dióda). Maximálna záporná amplitúda na vstupe nesmie byť vyššia ako prierazné napätie diódy, napr. pre typ 1N914 ako -70V.

Obr. 14. Obmedzovač amplitúdy signálu v ktorom referenčná úroveň je nastavená pomocou odporového deliča (a) a jeho náhradný obvod - (b) , (c). (Deličom 1kW, 2kW so zdrojom +15V možno podľa Theveninovej poučky nahradiť zdrojom napätia +5V a vnútorným odporom Rvd=667W). Podmienkou správnej funkcie obmedzovacieho obvodu je, aby odpor Rvd<<R. Pri voľbe podobnej zapojeniu bude diskriminujúca úroveň obmedzovania málo strmá, (pozri priebeh pri kladnej polarite na obr. (d)), nakoľko sa bude k nej pripočítavať aj úbytok napätia na odpore Rvd.

Zaujímavým príkladom je zapojenie na obr. 15, ktoré pomocou diódy obnovuje jednosmernú zložku signálu, ktorý bol kapacitne naviazaný.
 

Obr. 15. Obnovovač jednosmernej zložky signálu.

Zapojenie obojstranného obmedzovača, podobné zapojeniu na obrázku 16, sa používa na ochranu vstupných obvodov zosilňovačov pred prebudením veľkou amplitúdou signálu.
 

Obr. 16. Obojstranný obmedzovač väčšej amplitúdy ako ~0,6V.

Na realizovanie výstupného napätia obmedzovača odlišného od 0,6V možno využiť princip zobrazený na obrázku 17.
 

Obr. 17. Obmedzovač s výstupným napätím (v bode B) blízkym potenciálu zeme (potom prúd Iin je pri identických diódach úmerný Uin). Odpor R1 zabezpečuje dostatočnú vodivosť diódy D2 (prúd D2 by mal byť väčší ako maximálny prúd cez D1, vyvolaný Uin) a drží potencial v bode A ~-0,6V.

F Kontrola vlastností diódového spínača a obmedzovača v praktikovej úlohe 7

[Návrat]