Úloha 7

Diódový obmedzovač a spínač

Cieľ úlohy:
spočíva v experientálnom overení vlastností diódy v obmedzovacom a spínacom obvode.

q Dióda 

u Statické parametre náhradného obvodu diódy

Typický priebeh voltampérovej charakteristiky je znázornený na obrázku 1. Ak je napätie polarizované tak, že časť monokryštálu s vodivosťou P je kladná a časť monokryštálu s vodivosťou N je záporná, t.j. v tzv. priepustnom smere diódy, prechádza značný prúd i pri malom napätí u. Pri opačnej tzv. závernej polarite tečie len veľmi malý prúd aj pri značnom napätí. Dióda sa chová podobne ako ventil, prepúšťajúci prúd len v jednom smere (s odporm R_DF vo vodivom smere a odporom R_DR v závernom smere).
 

Obr. d1. Príklad voltampérovej charakteristiky diódy.

Obr. d2. "Hrubá" aproximácia  charakteristiky diódy.

Obr d3. Náhradné zapojenie podľa charakteristiky diódy z obr. d2.  (Di je symbol ideálneho ventilu).

Obr. d4. Aproximácia charakteristiky diódy pre „veľký signál“.

Obr d5.  Náhradné zapojenie diódy pre „veľký signál“ (Di je symbol ideálneho ventilu).

Aproximácia V-A charakteristiky diódy analytickým výrazom

Závislosť medzi prúdom i a napätím u na PN prechode (statickú voltampérovú charakteristiku) možno vystihnúť vzťahom
 
 

i =IR0[exp(u/UQ ) -1],

(1)

kde
IR0	Nasýtený prúd v závernom smere, t.j. prúd prechádzajúci pri značnom napätí závernej polarity,
u	Napätie na PN prechode, pričom kladné znamienko znamená priepustnú polaritu,
UQ	tzv. Teplotné napätie UQ =KQ /q  (K – Boltzmannova konštanta, q – náboj elektrónu). Pri teplote Q =300K, je UQ=26mV.

Derivovaním výrazu (1) možno zistiť diferencialnu vodivosť g_DF=di/du =1/r_DF a z nej diferencialny odpor vodivého PN prechodu:
 

rDF=du/di~ 26/i,

[W, mA]

Celkový odpor vodivej diódy je R_DF=r_DF+r_s o málo väčší – je zväčšený o malý odpor r_s materiálu polovodičových elektród a prívodov (obr. d7).

Skutočné diódy sa riadia vzťahom (1) len približne a a to len v obmedzenom rozsahu napätí. Najzrejmejší nesúhlas je v závernej vetve charakteristiky. Ak prekročí záverné napätie určitú veľkosť U_z (obr. d1), ktorá závisí na druhu a čistote použitého polovodiča a na jeho teplote, nastáva jednak vytrhávanie ďalšich elektrónov elektrickým poľom v okolí prechodu PN, efekt známy ako tzv. Zenerov jav a dochádza tiež k ionizácii neutrálnych atómov nárazmi prechádzajúcich minoritných nosičov. Obidva procesy spôsobia, že prúd v závernom smere sa pri prekročení určitého napätia začne neúmerne zväčšovať. Tým sa oteplí prechod PN a preto sa záverný prúd ešte ďalej zväčšuje, čo by u teplotne citlivých polovodičov mohlo viesť k elektrickému prierazu. U diód z kremíku alebo iných tepelne odolných polovodičov možno docieliť, že po prekročení tzv. Zenerovho napätia U_ZD má dióda len veľmi malý diferenciálny odpor R_DZ, niekedy menší ako diferenciálny odpor R_DF v priepustnej oblasti. Dióda v Zenerovej časti charakteristiky nedovolí, aby priložené záverné napätie prekročilo určitú veľkosť, čo ju robí vhodnou napr. ku stabilizácii napätia ako referenčný zdroj . Zenerove napätie možno ovládať výrobnou technológiou v rozmezí od troch do niekoľko sto voltov. Pritom toto napätie málo závisí na teplote (teplotný súčiniteľ sa pohybuje od –0,05 až do +0,12% a je najmenší u diód pre napätie okolo 6V). Pretože pri prechode záverného prúdu sa v dióde ztráca pomerne značný výkon P_ZD=U_ZDi_ZD, vyrábajú sa Zenerove diódy pre rôzne výkony (od miniaturnych pre 0,1W až k výkonovým pre 10 a viac wattov).
 

Obr. d6.  Náhradné zapojenie Zenerovej diódy.

Vetva s odporom:

RDZ  reprezentuje Zenerovu časť;

RDR reprezentuje závernú „ plochú“ časť;

RDF reprezentuje priepustnú časť.

Ohyb v Zenerovej oblasti má väčšiu strmosť ako ohyb v priepustnej vetve a je zaujímavý aj po ďalšej stránke. Zatiaľ čo trvanie prechodového javu pri zmene napätia z priepustnej do závernej vetve je ovplyvnené hromadením minoritných nosičov náboja a trvá pomerne dlho, nevykazuje zmena polarity cez Zenerov ohyb takmer žiadny prechodový jav, čo je významná prednosť pre rýchle spínacie obvody.

u Dynamické parametre diódy

Pri vysokofrekvenčnom napätí u tieto tzv. statické vlastnosti diódy nedostatočne charakterizujú vlastnosti diódy a na zostrojenie náhradného obvodu treba použiť ďalšie tzv. dynamické parametre. Jedným z nich je (obr. d7) kapacita prechodu C_D~1/(u)ⁿ, ktorá závisí na priloženom napätí u, kde mocniteľ má veľkosť n=2-3, podľa typu technológie výroby prechodu. Ďalšie dynamické parametre ako indukčnosť prechodu L_D (10 až 30 nH), alebo parazitná kapacita púzdra a vývodov C_k (0,3 až 3pF) majú len malý vplyv.
 

Obr.d7 Náhradné „dynamické" zapojenie vodivej diódy: rDF - odpor vodivého PN prechodu; rs – odpor prívodov k báze; Cd – kapacita PN prechodu; Ld – indukčnosť prívodov; Ck – parazitná kapacita púzdra a prívodov.

Ďalším dynamickým javom, ktorý sa nedá vystihnúť bežným nahradným zapojením je tzv. hromadenie minoritných nosičov náboja, ktoré nastáva, keď sa strieda polarita signálu na dióde.
 

Obr. d8. Priebeh prúdu po prepólovaní z priepustného do záverného smeru.

Pre potreby výkladu na obr. d8 predpokladajme, že napätie pôsobí na dióde najprv v priepustnom smere a prechodom PN tečie určitý prúd. Časť tohto prúdu tvoria elektróny, ktoré prechádzajú z časti N do P a tam existujú určitú krátku dobu, tzv. dobu života minoritných nosičov, pokiaľ nezrekombinujú s dierami tejto časti. (Kvôli úplnosti podotýkam, že elektróny v časti N sa označujú ako majoritné nosiče náboja.) Druhú časť prúdu tvoria diery, ktoré prechádzajú z časti P do N a tam existujú ako minoritné nosiče až do svojej rekombinácie s elektrónmi.

Ak sa zmení počas tohto procesu polarita vonkajšieho napätia tak, že bude brániť daľšiemu prechodu majoritných nosičov náboja, pre doposiaľ nezrekombinované minoritné nosiče náboja, nahromadené na oboch stranách PN prechodu, bude tento PN prechod však teraz priechodný. Preto v prvom okamihu po skokovej zmene napätia prechádza cez diódu omnoho väčší prúd ako v ustálenom stave a až po vyčerpaní nahromadených nosičov sa zmenší na veľkosť zodpovedajúcu statickej charakteristike.

Tento jav znázorňuje obrázok d8. Po prepolarizovaní napätia u sa nezmenší prechádzajúci prúd na hodnotu I_R0, ktorá by mala zodpovedať priloženému závernému napätiu, ale najprv sa dosiahne mnoho väčšia hodnota I_ds a až za určitú dobu t_s začne klesať s časovou konštantou t (trvanie aktívneho tyla impulzu t_ta=2,2t). Celková doba zotavenia t_s + t_ta sa podľa druhu diódy pohybuje od nanosekúnd do desiatky mikrosekund. U danej diódy je prechádzajúci prúd I_ds tým väčší, čím bol väčší predchádzajúci priepustný prúd a čím väčšie je priložené záverné napätie, tak ako by si dióda ešte na okamih po prepólovaní zachovala svoju predošlú vodivosť. Po dosiahnutí určitého prúdu I_sat však nastane nasýtenie, takže ďalšim zväčšovaním priepustného prúdu sa predlžuje už len doba zotavenia t_S, počas ktorej prechádza nasýtený prúd.

Opísaný prechodový jav pri striedaní priepustnej a závernej polarity obmedzuje frekvenčnú použiteľnosť diód. V niektorých prípadoch možno túto vlastnosť zámerne využiť, napr. pri tvarovaní veľmi krátkych impulzov.

V nanosekondovej impulznej technike sa polovodičové diódy používajú predovšetkým ako spínače. Okrem malého spínacieho odporu a vysokého odporu v záverom smere mali by diódy pre tieto obvody mať malý čas zopnutia.Trvanie prechodu z nevodivého do vodivého stavu, v dôsledku vyššie uvedeného efektu hromadenia náboja, sa značne odlišuje od trvania prechodu z vodivého stavu do nevodivého stavu (obr. 9b).
 

Obr. d9a. Zapojenie na experimentálne overenie dynamických vlastností diódy.

 

Obr. d9b. Vplyv nahromadenia náboja na predĺženie výstupného impulzu o tzv. dobu zotavenia tS.

qObmedzovacie obvody

Nelinearita voltampérovej charakteristiky umožňuje použiť diódy na vhodné skreslenie prenášaného signálu. Klasická dióda s jedným ohybom charakteristiky môže spôsobiť len jednoduché deformácie tvaru signálu, zatiaľ čo napr. Zenerova dióda s dvoma ohybmi má viac možností využitia. Názvom obmedzovač sa rozumie pasívny tvarovací obvod:

• limiter - obvod, ktorý odrezáva vrcholky napäťového signálu a obmedzuje tak jeho amplitúdu na požadovanú veľkosť (obr. d10a_a),
• separátor vrcholkov – obvod, ktorý umožní aby prešla na výstup len časť signálu presahujúca danú úroveň (obr. d10a_b),
• vykrajovač (slicer) – obvod prepúšťajúci časť signálu, ležiacu medzi danými úrovnňami (obr. d10b).

Obr. d10a. Priebeh sinusového napätia po jednostrannom obmedzení s použitím: kladného predpätia UB, záporného predpätia -UB.

Obr. d10b. Priebeh sinusového napätia po obojstrannom obmedzení: bez predpätia s predpätím -UB.

u Sériový obmedzovací obvod s diódou prakticky
 
 

Obr. 1. Zapojenie na demonštráciu sériového diódového obmedzovača. Funkcia sériového diódového obmedzovača závisí od predpätia Up (na obrázku nastavené na Up =0V). Osciloskop reprezentuje jeho vstupný odpor RL=1MW a montážna + vstupná kapacita osciloskopu Cp=CL=500pF.

Obr. 1a. Porovnanie tvaru a amplitúdy na vstupe a výstupe sériového diódového obmedzovača pri predpätí Up=0V (- v podstate jednocestné usmernenie). Pri meraní v praktiku nezabudnite skontrolovať úbytok amplitúdy nadióde DUm. a porovnať ho s napätím UDF náhradného obvodu diódy.

 

Obr. 1b. Porovnanie tvaru a amplitúdy na vstupe a výstupe sériového diódového obmedzovača pri predpätí Up=2V. Pri meraní v praktiku nezabudnite porovnať úroveň odrezávania sinusového signálu s prepätím Up.

 

Obr. 1c. Porovnanie tvaru a amplitúdy na vstupe a výstupe sériového diódového obmedzovača pri predpätí Up=-2V.

 
 

Obr. 1d. Porovnanie tvaru a amplitúdy na vstupe a výstupe sériového diódového obmedzovača pri predpätí Up=-4V.

u Paralelný obmedzovací obvod s diódou prakticky
 

Obr. 2. Zapojenie na demonštráciu paralelného diódového obmedzovača. Funkcia diódového paralelného obmedzovača závisí od predpätia Up. Osciloskop reprezentuje jeho vstupný odpor RL=1MW (pri voľbe parametrov podľa obrázku jeho vplyv možno zanedbať) a kapacita Cp=CL=500pF reprezentuje montážnu kapacitu + vstupnú kapacitu osciloskopu .

 

Obr. 2a. Porovnanie tvaru a amplitúdy na vstupe a výstupe paralelného diódového obmedzovača pri predpätí Up=0V.  Ampltúda obmedzovania na výstupe Uout  pri vodivej dióde je závislá od typu diódy a od predpätia Up . V danom prípade pri predpätí Up=0V a kremíkovej dióde je Uout~UDF. Pri nevodivej dióde je ampltúda zápornej polovlny na výstupe Uout závislá od deliaceho pomeru deliča (Uout=UinR0/(RL&RDR&R1) ~ UinR0/R1).

 

Obr. 2b. Porovnanie tvaru a amplitúdy na vstupe a výstupe paralelného diódového obmedzovača pri predpätí Up=1,4V.

 

Obr. 2c. Porovnanie tvaru a amplitúdy na vstupe a výstupe paralelného diódového obmedzovača pri predpätí Up=-2,6V. Pri vodivej dióde je obmedzovacia úroveň na výstupe Uout závislá od typu diódy a predpätia Up . V danom prípade pri predpätí Up=-2,6V a kremíkovej dióde je Uout~Up+UDF~-2V.

Praktická realizácia predpätia U_p

Pre potreby merania v tejto úlohe možno najjednochšie vytvoriť potrebné predpätie pomocou baterie alebo regulovateľného zdroja napätia. Oba tieto zdroje mávajú obvykle malý vnútorný odpor, omnoho menší ako odpor použitých rezistorov v zapojení obmedzovača, takže neovplyvňujú nastavenie predpätia U_p. Inú možnosť vytorenia rôzneho predpätia pomocou deliča s malými odpormi diód R_DF a R_ZD ilustruje obrázok 3.
 

Obr. 3. Rôzne predpätie Up1 až Up4 je v tejto úlohe s diódovým obmedzovačom realizované pomocou diódového deliča s kremíkovou, germániovou a zenerovou diódou. Pred osciloskopickým sledovaním priebehov výstupného napätia si jednosmerným voltmetrom skontrolujte ponúkané veľkosti predpätia Up1 až Up4, aby ste sa jednoduchšie zorientovali v oscilograme výstupného priebehu.

u  Sériový diódový spínač prakticky
 

Sériový spínací obvod je napäťový delič, ktorý využíva rôzne veľký odpor diódy vo vodivom (R_DF) a nevodivom stave (R_DR) - modifikuje deliaci pomer napäťového deliča z R_DF/(R_L&R₁ na R_DR/(R_L&R₁). V dôsledku podieľania sa rôzne veľkých odporov na prechodovom jave pri prenose impulzu je trvanie prechodového javu s vodivou diódou rýchlejšie (trvanie čela t_ca) ako trvanie prechodového javu s nevodivou diódou (trvanie tyla t_ta).
 
 

Obr. 4. Náhradný obvod obvodu so sériovou diódou pri predpätí Up=0. Kapacita PN prechodu Cd, montážna kapacita Cp=Cm+ CL. Osciloskop reprezentuje odpor RL a kapacita CL.

Tvar výstupného impulzu závisí od typu diódy (reprezentovaného jednak difúznou kapacitou PN prechodu C_d a rýchlosťou rekombinácie nosičov náboja po uzavretí PN prechodu) a tiež závisí od kvality montáže (malá kapacita C_p=C_m+ C_L). Pri nie príliš precíznej montáži (typu ":vrabčie hniezdo" aká je pri skúšaní v podmienkach praktika bežná) môže byť kapacita C_p nezanedbateľná a môže sa výrazne podieľať na tvarovaní výstupného impulzu, napr. na tvar podľa obrázku 4a.
 

Obr. 4a. Tvary impulzov na vstupe a výstupe sériového spínača (s diódou 1N4148, ktorej kapacita PN prechodu Cd=4pF  a odpormi RL=1MW R1=4kW, Cp=CL=500pF) pri predpätí Up=0V. Výstupná amplitúda U2=U1-UDF je oproti vstupnej amplitúde U1 zmenšená o úbytok UDF na vodivej dióde.  V dôsledku malého odporu vodivej diódy RDF~(25mV)/IDF má čelo výstupného impulzu veľmi krátke trvanie: tca~2,2(RDF||R1)(Cd+Cp).  Trvanie tyla impulzu  - tta~(2,2 (R1||RL)Cp) už nezávisí od diódy a je ovplyvnené integračným článkom s časovou konštatntou t=(R1||RL)Cp), kde Cp=Cm+ CL.

Ďalší obrázok reprezentuje vlastnosť špeciálnych diód s nahromadením náboja - jav, ktorý nie je možné vystihnúť bežným náhradným obvodom diódy - tzv hromadenie nosičov náboja v oblasti PN prechodu počas pôsobenia impulzu a konečným trvaním (dobou života) ich rekombinácie po uzatvorení PN prechodu.
 

Obr. 4b. Tvary impulzov na vstupe a výstupe sériového spínača (s diódou 1N4002, ktorej kapacita PN prechodu Cd=52 pF) pri predpätí Up=0V a s odpormi R1=500W  a  RL=1MW a, Cp=CL=500pF. Väčšia kapacita Cd u diódy 1N4002 má za následok prechodový jav pri otváraní diódy (*1) a hlavne vznik ďalšieho prekmitu (*2), ktorý je spôsobený nahromadením minoritných nosičov náboja a ich následnou rekombináciou po uzavretí PN prechodu. Dióda takéhoto typu sa tiež nazýva dióda s hromadením náboja.

Ďalšie dva obrázky ilustrujú zmenu pomerov na výstupe spínacieho obvodu so sériove zapojenou diódou 1N4148 pri zmene predpätia U_p, pri nezmenených ostatných parametroch sledovaného spínacieho obvodu. Zmena tvaru výstupného impulzu je podobná ako v predošlom tvarovaní napätia sinusového tvaru.
 

Obr. 4c. Tvary impulzov na vstupe a výstupe sériového spínača - obmedzovača (s diódou 1N4148, ktorej kapacita PN prechodu Cd=4 pF a odpormi RL=1MW R1=4kW, Cp=CL=500pF) pri predpätí Up=+0,3V.

 

Obr. 4d. Tvary impulzov na vstupe a výstupe sériového spínača - obmedzovača (s diódou 1N4148, ktorej kapacita PN prechodu Cd=4 pF  a odpormi RL=1MW R1=4kW, Cp=CL=500pF) pri predpätí Up=-0,3V.

u   Paralelný diódový spínač prakticky

Na rozdiel od sériového spínacieho obvodu dióda svojim rôzne veľkým odporom vo vodivom (R_DF) a nevodivom stave (R_DR) zapojená paralelne s odporom RL a modifikuje deliaci pomer napäťového deliča z R₀/(R_L&R_DF na R₀/(R_L&R_DR, v dôsledku čoho trvanie čela a tyla impulzu môže mať približne rovnaké trvanie t_ca~ t_ta =2,2t, nakoľko časová konštanta výsledného integračného obvodu t =(R₀||R_L||R_DF)(C_p+C_m+C_L)~ (R₀||R_L||R_DR)(C_p+C_m+C_L).
 
 

Obr. 5. Náhradný obvod obvodu s paralelnou diódou pri predpätí Up=0. Kapacita PN prechodu Cd len málo pozmení celkovú montážnu kapacitu Cp=Cm+ CLobvodu. Osciloskop reprezentuje odpor RL a kapacita CL.

 

Obr. 5a. Tvary impulzov na vstupe a výstupe paralelného diódového spínača (s diódou 1N4148, ktorej kapacita PN prechodu Cd=4pF, odpormi RL=22kW, R0=4kW a Cp=CL=500pF) pri predpätí Up=0V. Amplitúda výstupného impulzu U2=U1R0/(RL&RDF). Trvanie čela a tyla impulzu je približne rovnaké tca~tta =2,2t . (pri vodivej dióde je časová konštanta výsledného integračného tvarovacieho obvodu t=(R0||RL||RDF)(Cp+Cm+CL).)

 

Obr. 5b. Tvary impulzov na vstupe a výstupe paralelného diódového spínača - obmedzovača (s diódou 1N4148, ktorej kapacita PN prechodu Cd=4pF, odpormi RL=22kW, R0=4kW a Cp=CL=500pF) pri predpätí Up=-1V.

Podrobnejšie o úlohách a cieľoch vyššie uvedených meraní je v skriptách :

• Dušan Kollár: Elektronika a automatizácia 1, str. 53 - 109.
• Dušan Kollár: Praktikum z elektroniky a automatizácie , skriptá MFF UK, 1991 ( úloha 7).

[Návrat]