Polovodičové prvky jsou široce používány v oblasti elektroniky, jedním z nich je dioda. Používají se téměř ve všech zařízeních, častěji však v různých napájecích zdrojích a pro zajištění elektrické bezpečnosti. Každý z nich má svůj specifický účel a technické vlastnosti. Chcete-li identifikovat různé typy poruch a získat technické informace, musíte znát charakteristiky proudového napětí diody.
Přehled
Dioda (D) – polovodičový prvek, která slouží k průchodu proudu pn přechodem pouze v jednom směru. Pomocí D můžete narovnat proměnnou U a získat z ní konstantní pulzující. K vyhlazení vlnění se používají kondenzátorové nebo indukční filtry, někdy se kombinují.
D sestává pouze z pn přechodu s vývody nazývanými anoda (+) a katoda (-). Proud při průchodu vodičem na něj tepelně působí. Při zahřívání katoda emituje záporně nabité částice – elektrony (E). Anoda přitahuje elektrony, protože má kladný náboj. Při tom vzniká emisní pole, ve kterém vzniká proud (emise). Mezi (+) a (-) vzniká záporný prostorový náboj, který narušuje volný pohyb elektronů.Elektrony, které dosáhnou anody, tvoří anodový proud a ty, které ke katodě nedosáhnou. Pokud jsou anodové a katodové proudy nulové, D je v uzavřeném stavu.
Polovodičové zařízení
D se skládá z pouzdra vyrobeného z odolného dielektrického materiálu. Pouzdro obsahuje vakuový prostor se 2 elektrodami (anoda a katoda). Elektrody představující kov s aktivní vrstvou jsou nepřímo ohřívány. Aktivní vrstva při zahřívání emituje elektrony. Katoda je navržena tak, že uvnitř je drát, který svítí a vyzařuje elektrony a anoda slouží k jejich příjmu.
V některých zdrojích se anoda a katoda nazývají krystal, který je vyroben z křemíku (Si) nebo germania (Ge). Jedna jeho složka má umělý nedostatek elektronů a druhá nadbytek (obr. 1). Mezi těmito krystaly existuje hranice, která se nazývá pn přechod.
Obrázek 1 – Schematické znázornění polovodiče typu pn.
Сферы применения
D je široce používán jako střídavý usměrňovač při konstrukci napájecích zdrojů (PSU), diodových můstků a také jako jediný prvek specifického obvodu. D je schopen chránit obvod před nedodržením polarity připojení napájecího zdroje. V obvodu může dojít k poruše jakékoli polovodičové části (například tranzistoru) a vést k procesu selhání řetězce rádiových prvků. V tomto případě je použit řetězec několika D spojených v opačném směru. Spínače jsou vytvořeny na bázi polovodičů pro spínání vysokofrekvenčních signálů.
D se používají v uhelném a hutním průmyslu, zejména při vytváření jiskrově bezpečných spínacích obvodů ve formě diodových bariér, které omezují U v požadovaném elektrickém obvodu. Diodové bariéry se používají spolu s omezovači proudu (odpory) ke snížení hodnot I a zvýšení stupně ochrany, a tím i elektrické bezpečnosti a požární bezpečnosti podniku.
Voltampérové charakteristiky
Proudově-napěťová charakteristika je charakteristika polovodičového prvku, ukazuje závislost I procházejícího pn přechodem na hodnotě a polaritě U (obr. 1).
Obrázek 1 – Příklad proudově-napěťové charakteristiky polovodičové diody.
Charakteristiky proudového napětí se navzájem liší a to závisí na typu polovodičové součástky. Graf proudově napěťové charakteristiky je křivka, podél jejíž vertikály jsou vyznačeny hodnoty přímky I (výše). Níže jsou uvedeny hodnoty I pro reverzní připojení. Hodnoty U jsou indikovány vodorovně pro přímé a zpětné připojení. Schéma se skládá ze 2 částí:
- Nahoře a vpravo – D funguje v přímém spojení. Zobrazuje propustnost I a čára jde nahoru, což indikuje zvýšení přímého U (Upr).
- Spodní část vlevo – D je v zavřeném stavu. Čára probíhá téměř rovnoběžně s osou a ukazuje pomalý nárůst Irev (reverzní proud).
Z grafu můžeme usoudit: čím strmější je vertikální část grafu (část 1), tím blíže je spodní čára k horizontální ose. To ukazuje na vysoké usměrňovací vlastnosti polovodičového zařízení. Je třeba vzít v úvahu, že charakteristika proud-napětí závisí na okolní teplotě, při poklesu teploty dochází k prudkému poklesu Irev. Pokud teplota stoupá, pak stoupá i Irev.
Plotting
Sestrojit charakteristiku proudového napětí pro konkrétní typ polovodičového zařízení není obtížné. K tomu potřebujete napájecí zdroj, multimetr (voltmetr a ampérmetr) a diodu (lze postavit pro jakékoli polovodičové zařízení). Algoritmus pro konstrukci charakteristiky proud-napětí je následující:
- Připojte napájení k diodě.
- Proveďte měření U a I.
- Zadejte data do tabulky.
- Na základě tabulkových dat sestrojte graf závislosti I na U (obr. 2).
Obrázek 2 – Příklad nelineární I-V charakteristiky diody.
Proudově napěťová charakteristika bude pro každý polovodič jiná. Například jedním z nejběžnějších polovodičů je Schottkyho dioda, pojmenovaná německým fyzikem W. Schottkym (obrázek 3).
Obrázek 3 – Schottkyho charakteristika proud-napětí.
Na základě grafu, který má asymetrický charakter, je vidět, že tento typ diod se vyznačuje malým poklesem U při přímém zapojení. Dochází k exponenciálnímu nárůstu I a U. Proud v bariéře je způsoben záporně nabitými částicemi pod zpětným a dopředným předpětím. Schottkis mají vysokou rychlost, protože neexistují žádné difúzní a rekombinační procesy. Jsem závislý na U kvůli změnám v počtu dopravců účastnících se procesů přenosu poplatků.
Silikonový polovodič je široce používán téměř ve všech elektrických obvodech zařízení. Obrázek 4 ukazuje jeho charakteristiku proud-napětí.
Obrázek 4 – I-V charakteristiky křemíku D.
Na obrázku 4 začíná charakteristika proud-napětí od 0,6-0,8 V. Kromě křemíku D existují také germanium, které bude normálně fungovat za normálních teplot. Křemík má nižší Ipr a Irev, takže tepelný nevratný rozklad germania D nastává rychleji (když je dodáván vysoký Urev) než u jeho konkurenta.
Usměrňovač D se používá k přeměně střídavého U na konstantní a Obrázek 5 ukazuje jeho charakteristiku proud-napětí.
Obrázek 5 – I-V charakteristika usměrňovače D.
Obrázek ukazuje teoretickou (přerušovaná křivka) a praktickou (experimentální) charakteristiku proud-napětí. Neshodují se kvůli skutečnosti, že teorie nezohlednila určité aspekty:
- Přítomnost R (odpor) v oblasti emitoru krystalu, vodičů a kontaktů.
- Svodové proudy.
- Procesy generování a rekombinace.
- Poruchy různých typů.
Kromě toho okolní teplota významně ovlivňuje měření a charakteristiky proudového napětí se neshodují, protože teoretické hodnoty se získávají při teplotě +20 stupňů. Existují další důležité vlastnosti polovodičů, které lze pochopit podle označení na pouzdru.
Existují také další vlastnosti. Jsou potřebné pro použití D v určitém obvodu s U a I. Pokud použijete nízkopříkonové D v zařízeních s U překračujícím maximální přípustnou Urev, pak dojde k poruše a selhání prvku, což může také vést k řetězec selhání dalších částí.
Další charakteristiky: maximální hodnoty Irev a Urev; přímé hodnoty I a U; proud přetížení; Maximální teplota; provozní teplota a podobně.
Charakteristika proud-napětí pomáhá identifikovat takové složité poruchy D: porucha spoje a odtlakování skříně. Složité závady mohou vést k selhání drahých dílů, proto je před instalací D na desku nutné ji zkontrolovat.
Možné poruchy
Podle statistik D nebo jiné polovodičové prvky selhávají častěji než ostatní prvky obvodu. Vadný prvek lze identifikovat a vyměnit, ale někdy to vede ke ztrátě funkčnosti. Například, když se pn přechod porouchá, D se změní na obyčejný rezistor a taková transformace může vést k hrozným následkům, od selhání jiných prvků až po požár nebo úraz elektrickým proudem. Mezi hlavní chyby patří:
- Zhroutit se. Dioda ztrácí schopnost propouštět proud v jednom směru a stává se z ní obyčejný rezistor.
- Strukturální poškození.
- Únik.
Během poruchy D neumožňuje průchod proudu jedním směrem. Důvodů může být několik a vznikají s prudkým nárůstem I a U, což jsou nepřijatelné hodnoty pro určité D. Hlavní typy poruch pn přechodu:
Na tepelné úrovni na fyzické úrovni dochází k výraznému nárůstu atomových vibrací, deformaci krystalové mřížky, přehřívání přechodu a vstupu elektronů do vodivého pásma. Proces je nevratný a vede k poškození rádiové součásti.
Elektrické poruchy jsou dočasné (krystal se nedeformuje) a po návratu do normálního provozu se jeho polovodičové funkce vrátí. Strukturální poškození se týká fyzického poškození nohou a těla. K úniku proudu dochází, když je pouzdro odtlakováno.
Pro kontrolu D stačí odpájet jednu nohu a zazvonit ji multimetrem nebo ohmmetrem na přítomnost poruchy křižovatky (mělo by zvonit pouze v jednom směru). V důsledku toho se hodnota R přechodu pn objeví v jednom směru a ve druhém bude zařízení ukazovat nekonečno. Pokud voláte ve 2 směrech, pak je rádiová součást vadná.
Pokud noha spadne, je potřeba ji připájet. Pokud je kryt poškozen, musí být díl vyměněn za provozuschopný.
Pokud je pouzdro bez tlaku, budete muset vykreslit charakteristiku proud-napětí a porovnat ji s teoretickou hodnotou převzatou z referenční literatury.
Proudově napěťová charakteristika tedy umožňuje nejen získat referenční data o diodě nebo libovolném polovodičovém prvku, ale také identifikovat složité poruchy, které nelze určit při testování se zařízením.
