Dioda prostownicza - charakterystyka, oznaczenia, budowa

Diody to podstawowe elementy półprzewodnikowe, a jedną z ich odmian są diody prostownicze. Czym się cechują i dlaczego je wyróżniamy spośród innych diod?

Co to jest dioda?

Aby móc wyczerpująco odpowiedzieć na pytanie, czym jest dioda prostownicza, najpierw uporządkujmy kilka faktów na temat samych diod. Wewnątrz każdego elementu tego typu znajduje się struktura półprzewodnikowa, która zawiera złącze, na przykład pn. A co to jest złącze pn? O tym za chwilę, najpierw kilka słów na temat fizyki półprzewodników.

Co można zrobić z półprzewodnikiem?

Wiele różnych rzeczy, ale najciekawszą z nich zdecydowanie jest domieszkowanie. Czysty półprzewodnik - na przykład kryształ krzemu - słabo przewodzi prąd, jest czymś pomiędzy izolatorem i przewodnikiem. Ale wystarczy wprowadzić do niego trochę zanieczyszczeń, aby zaczął przewodzić i to w taki sposób, w jaki sobie tego życzymy. Te zanieczyszczenia to specjalnie dobrane atomy, a cały proces ich wprowadzania do próbki krzemu nazywa się właśnie domieszkowaniem.

Domieszka donorowa polega na wprowadzeniu do sieci krystalicznej atomu posiadającego 5 elektronów walencyjnych. Sąsiadujące z nim atomy krzemu mają po 4 atomy, więc utworzą z nim wiązania, a jeden elektron pozostanie swobodny. Będzie mógł się swobodnie przemieszczać, więc zostanie wolnym, niezwiązanym nośnikiem ładunku elektrycznego. Tego typu domieszka “daje” elektron, stąd jej nazwa.

Domieszkowany w ten sposób półprzewodnik jest typu n - od słowa negative, czyli ujemny - ponieważ elektrony mają ładunek ujemny.

Czym innym jest domieszkowanie akceptorowe, które działa zupełnie inaczej. Wprowadzamy do sieci krystalicznej krzemu atom posiadający tylko 3 elektrony walencyjne. Atomy krzemu utworzą z nim wiązania, lecz tym razem to elektron któregoś z atomów krzemu pozostanie niezwiązany. Utworzy się tzw. dziura, czyli miejscowy niedobór elektronu. Ta dziura, choć nie jest obiektem materialnym (nie można jej wyjąć i położyć na stole), może się przemieszczać po półprzewodniku.

Półprzewodnik z domieszką akceptorową jest typu p - od positive, czyli dodatni - ponieważ taki jest ładunek elektryczny powstałych w ten sposób dziur.

O złączu pn

Aby powstało złącze pn, trzeba zetknąć ze sobą dwa kawałki półprzewodnika, z których każdy byłby inaczej domieszkowany. Jeden kawałek musi być typu n, a drugi typu p. Obszar ich styku to właśnie złącze, choć rozciąga się ono również w głąb tych próbek.

Stan równowagi

Kiedy do złącza nie jest doprowadzone jakiekolwiek napięcie, swobodne nośniki większościowe dyfundują przez obszar złącza na drugą stronę, do półprzewodnika o odmiennym charakterze przewodnictwa. Elektrony z domieszki typu n są przyciągane do akceptorów, z kolei dziury lgną ku elektronom.

Kiedy zetkną się ze sobą dwa takie różnoimienne nośniki ładunku, następuje rekombinacja - związują się ze sobą i są już nieruchome. Nie są też nośnikami przewodzącymi prąd, ponieważ stają się obojętne elektrycznie. Taka sytuacja powoduje, że w obszarze tuż przy granicy obu próbek nie ma wolnych nośników, pozostają nieruchome atomy sieci krystalicznej.

One odpychają te nośniki większościowe, które są w głębi próbek. Ujemnie spolaryzowane atomy domieszki akceptorowej nie dają się przedrzeć elektronom z obszaru donorowego. Dodatnio naładowane atomy, które pozostały na granicy domieszki donorowej, również odpychają dziury z obszaru domieszkowanego akceptorowo. Tworzy się tak zwana warstwa zubożona, czyli obszar praktycznie pozbawiony wolnych nośników ładunku.

Po spolaryzowaniu w kierunku przewodzenia

Aby dioda zechciała przewodzić, należy do niej przyłożyć napięcie pochodzące z zewnątrz. Jego polaryzacja musi być następująca:

• dodatni biegun napięcia (+) do obszaru p,
• ujemny biegun napięcia (-) do obszaru n.

W takich warunkach możliwe jest znaczące zwężenie warstwy zubożonej. Napięcie, przy którym złącze p zacznie przewodzić prąd, to tak zwane napięcie dyfuzyjne, zwane również napięciem przewodzenia. Dla złącza krzemowego to około 0,7V - 0,8V, a jego wartość maleje ze wzrostem temperatury.

Prąd, który zaczyna płynąć przez złącze, to tak zwany prąd dyfuzyjny. Może on mieć natężenie rzędu wielu amperów i ma związek z transportem wielkiej liczby nośników przez obszar złącza. Nie wyczerpują się, ponieważ zewnętrzne źródło zasilania dostarcza wciąż nowych.

Po zaniku tego zasilania, sytuacja wróci do stanu spoczynkowego. Powstanie warstwa zubożona, ponieważ nośniki większościowe zrekombinują, pozostawiając gołe, zjonizowane atomy domieszek.

Polaryzacja zaporowa

Przykładając napięcie do diody w drugą stronę, można ją spolaryzować zaporowo - nie będzie wtedy przewodziła prądu tak chętnie. Aby to zrobić trzeba podać:

• dodatni biegun napięcia (+) do obszaru n,
• ujemny biegun napięcia (-) do obszaru p.

Warstwa zaporowa poszerzy się, ponieważ nośniki większościowe “odpłyną” w kierunku elektrod doprowadzających zasilanie do struktury. Przez obszar złącza będzie płynął jedynie prąd unoszenia, w kierunku przeciwnym niż prąd dyfuzyjny. Jego natężenie może być niewielkie, rzędu nawet 1pA (pikoampera).

Dokładna wartość tego prądu wynika z niedokładności technologicznych i użytych materiałów, bowiem jest skutkiem przepływu nośników mniejszościowych: dziur z obszaru donorowego do elektronów z obszaru akceptorowego. Prąd unoszenia ma ciekawą właściwość - jego natężenie w niewielkim stopniu zależy od przyłożonego napięcia zaporowego.

Symbol diody

Na schematach elektronicznych dioda ma symbol strzałki z przyłożoną do niej kreską. Podstawa tej strzałki to anoda (A), zaś jej zwieńczenie (kreska) to katoda (K). Zwrot tej strzałki obrazuje kierunek przepływu prądu (umowego) przez tę diodę po spolaryzowaniu jej do przewodzenia. W anglojęzycznej literaturze występują inne skróty: A od anode, czyli anoda i C od cathode, czyli katoda.

Obszar typu p jest podłączony do anody, zaś obszar typu n - do katody. Przewodzenie diody jest możliwe po przyłożeniu dodatniego bieguna zasilania do anody. Z kolei spolaryzowanie jej zaporowo wiąże się z przyłożeniem wyższego potencjału zasilania do katody.

Charakterystyka diody prostowniczej

Dioda to po prostu obudowane złącze pn, do którego przytwierdzono wyprowadzenia, a całość zamknięto w szczelnej obudowie. Bez niej niewielka krzemowa struktura mogłaby się pokruszyć oraz dostałaby się do niej wilgoć i inne zanieczyszczenia. Dlatego obudowa pełni ważną rolę dla diody, mimo, iż jest z nią kilka problemów - o tym dalej.

Przykładając do diody napięcie, możemy oczekiwać przepływu przez nią prądu. Tak wygląda typowa (poglądowa) charakterystyka prądowo-napięciowa diody. Na osi Y (pionowej) jest prąd, zaś na osi X (poziomej) napięcie.

W kierunku przewodzenia

Zielony obszar odpowiada otwarciu diody, czyli jej przewodzeniu. Do napięcia rzędu 0,5V nie dzieje się nic, czyli prąd płynący przez diodę ma naprawdę minimalne natężenie. Dopiero powyżej umownej granicy, zwanej napięciem przewodzenia, prąd diody zaczyna rosnąć już gwałtownie.

Progowe napięcie przewodzenia, oznaczone symbolem U_d (od napięcia dyfuzyjnego) to umowna granica, ponieważ charakterystyka diody nie posiada wyraźnego punktu przegięcia. Nie można zatem stwierdzić, kiedy dioda przewodzi, a kiedy nie, ponieważ ona przewodzi cały czas - tyle, że płynący przez nią prąd ma różne natężenie. Producenci elementów półprzewodnikowych przyjmują pewną granicę, czyli napięcie dla prądu przewodzenia 100μA, 1mA lub jeszcze inną wartość. Zawsze jest podana w nocie katalogowej.

U_F (od angielskiego forward, czyli w przód) to często spotykany symbol oznaczający napięcie przewodzenia. Z kolei prąd przewodzenia, który wówczas płynie, oznacza się symbolem I_F.

Przybliżony model matematyczny opisujący przebieg tej charakterystyki wyprowadził zespół fizyków pod kierownictwem Williama Shockleya. Wzór ten nazywa się właśnie wzorem Shockleya. I_S to prąd nasycenia złącza, czyli omówiony wcześniej prąd płynący przez diodę spolaryzowaną zaporowo. q i k to stałe fizyczne, odpowiednio: ładunek elektronu i stała Boltzmanna. U to napięcie przyłożone aktualnie do diody, zaś T to temperatura złącza w kelwinach [K].

Wynika z niego, że przyrost prądu w funkcji napięcia przebiega wykładniczo. Dlatego powyżej pewnego natężenia prądu, napięcie niemal nie ulega zmianie. Mówiąc inaczej: zmiany napięcia przewodzenia są już tak niewielkie, że większy wpływ mają inne parametry diody, na przykład pasożytnicza rezystancja szeregowa.

W kierunku zaporowym

Tutaj nie dzieje się nic ciekawego, ponieważ prąd płynący zaporowo przez złącze ma niewielkie natężenie. Sytuacja ulega zmianie, kiedy napięcie zaporowe jest dostatecznie wysokie i dochodzi do tak zwanego przebicia diody.

W odróżnieniu od przebicia izolacji elektrycznej, to zjawisko nie jest dla diody destrukcyjne, o ile przebiega w kontrolowanych warunkach. Jest efektem działania bardzo silnego pola elektrycznego w obszarze złącza, które jest efektem przyłożenia do diody napięcia z zewnątrz. W tych warunkach może dojść do tunelowania nośników z jednej strony złącza na drugą, pomimo szerokiej warstwy zaporowej. Prąd płynący przez diodę może osiągać wtedy bardzo wysokie natężenie.

Diody prostownicze mają określoną minimalną wartość napięcia przebicia, przy którym na pewno nie znaczą przewodzić. Z kolei inne diody, zwane diodami Zenera, mają specjalnie zbudowane złącze tak, aby ten efekt uwypuklić. Są przeznaczone do pracy przy polaryzacji zaporowej, ponieważ odkładające się wtedy napięcie zaporowe ma dobrze określoną wartość.

Obudowy diod

Diody przystosowane do przewodzenia prądu o niewysokim natężeniu, do 10A, mają z reguły obudowy wykonane w pełni z tworzywa sztucznego. Zazwyczaj mają kształt walca lub prostopadłościanu, jeżeli są przystosowane do montażu powierzchniowego (SMD).

Pasek na obudowie oznacza wyprowadzenie katody. Jest to nawiązanie do symbolu diody, w którym kreska, przylegająca do grota strzałki, również oznacza katodę.

Diody prostownicze na wyższe prądy mają obudowy ułatwiające odprowadzanie ciepła z półprzewodnikowej struktury. Tworzywo sztuczne stanowi izolację - nie tylko elektryczną, lecz również cieplną - dlatego trzeba poprawić jego odprowadzanie przez zastosowanie metalowej wkładki. Przykręca się ją do radiatora (w diodach przewlekanych) lub lutuje na dużym polu miedzi, jeżeli chodzi o montaż powierzchniowy.

Rodzaje diod prostowniczych

Możemy je sklasyfikować ze względu na materiał, z którego wykonano złącze.

Diody krzemowe

Opisane wyżej krzemowe złącze pn znajduje się w diodach krzemowych. Są bardzo popularne i tanie, lecz mają kilka wad.

Napięcie przewodzenia takich diod wynosi około 0,7V. W wielu zastosowaniach to nie przeszkadza, lecz dla wysokiego prądu przewodzenia taka dioda zaczyna wydzielać na sobie znaczne ilości ciepła. Trzeba zadbać o ich dobre chłodzenie, aby nie uległy przegrzaniu. Ponadto spadek napięcia na diodzie może być tak wysoki, że zasilane przez nią urządzenie przestanie działać prawidłowo.

Większość diod krzemowych, poza takimi o specjalnym wykonaniu, jest dosyć wolna. Dokładniej, chodzi o powolne przechodzenie ze stanu przewodzenia do zaporowego - przez krótki czas dioda przewodzi wysoki prąd zaporowy, zanim zdąży ulec zatkaniu. Dlatego w układach pracujących z dużymi częstotliwościami, w których płyną również wysokie prądy, częściej spotyka się inny rodzaj diod.

Diody Schottky’ego

Inaczej zbudowana jest dioda ze złączem Schottky;ego, czyli takim, w którym występuje złącze metal - półprzewodnik. Ma znacznie niższe napięcie przewodzenia, bo około 0,3V, co wiąże się z mniejszymi stratami mocy. Diody tego typu mogą również pracować z wysokimi częstotliwościami, gdyż ich przełączanie między stanami pracy trwa krócej.

Mają jednak pewną wadę: ich prąd nasycenia (w polaryzacji zaporowej) jest znacznie wyższy niż diod krzemowych, bo może wynosić nawet wiele miliamperów. Dlatego nie w każdym miejscu znajdą zastosowanie.

Ponadto, większośc tych diod ma relatywnie niskie napięcie przebicia wstecznego, rzędu kilkudziesięciu woltów. Chociaż pod tym względem dużo się zmienia, ponieważ coraz powszechniejsze są diody o napięciu wstecznym sięgającym setek woltów i wyższym.

Jak je rozróżnić?

Wytypowanie rodzaju złącza diody na podstawie wyglądu jej obudowy jest zupełnie niemożliwe. Producenci oferują diody w różnorakich obudowach, lecz w środku mogą się znajdować zarówno struktury krzemowe, jak i Schottky’ego. Są dwie metody pozwalające na ich rozdzielenie:

• odczytanie oznaczenia i wyszukanie noty katalogowej,
• pomiar napięcia przewodzenia.

Ten drugi sposób pozwala na oszacowanie rodzaju diody, choć nie daje 100% pewności. Wystarczy podłączyć diodę do multimetru pozwalającego na pomiar napięcia przewodzenia. Zazwyczaj odpowiednia pozycja obrotowego pokrętła jest oznaczona symbolem diody i sprzęgnięta z piszczykiem do wykrywania ciągłości.

Anodę diody należy podłączyć do przewodu czerwonego, a katodę do czarnego, aby spolaryzować ją w kierunku przewodzenia. Przez sondy multimetru płynie prąd o określonym natężeniu, typowo 1mA. Wbudowany układ mierzy napięcie między zaciskami i wyświetla je na ekraniku w miliwoltach [mV].

Przy tak niskim prądzie przewodzenia, diody Schottky’ego będą wykazywały napięcie przewodzenia rzędu 100...150mV. Z kolei diody krzemowe więcej, bo 300...400mV. Te wyniki mogą się różnić w zależności od maksymalnego prądu diody, dopuszczalnego napięcia wstecznego i temperatury otoczenia, dlatego należy traktować je wyłącznie orientacyjnie.

Zastosowania diod prostowniczych

Jak sama nazwa wskazuje, głównym obszarem, w którym stosuje się diody prostownicze są właśnie prostowniki. To urządzenia przekształcające prąd przemienny (zmieniający kierunek) na zmienny, jednokierunkowy - chociaż silnie tętniący. Za prostownikiem musi znajdować się filtr, który usunie chociaż część tych tętnień, wygładzając przebieg. Wtedy powstanie prąd, który można nazwać stałym.

Prostowniki jednopołówkowe

W tych prostownikach najczęściej występuje tylko jedna dioda, więc były powszechnie stosowane w czasach, kiedy elementy półprzewodnikowe były drogie i słabo dostępne. Ich zasada działania jest banalnie prosta: przewodzą tylko jedną połówkę sygnału przemiennego, a drugą - ujemną - blokują. Dioda zatyka się i nie przewodzi przez pół okresu.

Wadą są silne tętnienia napięcia i związane z tym również tętnienia prądu. Dlatego dzisiaj praktycznie nie są stosowane, jedynie w prostych i tanich zasilaczach małej mocy. Tak wygląda przebieg napięcia wejściowego i wyjściowego:

Prostowniki dwupołówkowe

Ten układ przekształca obie połówki napięcia wejściowego, zatem działa znacznie efektywniej. Występuje w dwóch wariantach. Pierwszy, z dwiema diodami, jest dzisiaj stosowany tylko w niektórych sytuacjach. Wymaga do działania transformatora z dzielonym uzwojeniem wtórnym, co jest trudniejsze do wykonania. Był za to stosowany częściej, kiedy diody kosztowały znacznie więcej niż dzisiaj.

Działa na zasadzie naprzemiennego zatykania się i otwierania diod: jedną połówkę napięcia wyjściowego realizuje górna dioda (dolna jest wtedy zatkana), a drugą dolna. Tak wygląda przebieg napięcia po wyprostowaniu:

Znacznie częściej dzisiaj stosuje się czterodiodowy układ mostka Graetza, który nie wymaga transformatora o specjalnej budowie. Tutaj diody pracują parami: raz przewodzi jedna para diod, raz druga. Przebieg napięcia wyjściowego wygląda identycznie.

Mostki Graetza

Ten specyficzny układ diod jest tak często stosowany, że doczekał się zamknięcia w oddzielnej obudowie. Każdy mostek Graetza zawsze posiada tylko 4 wyprowadzenia: dwa do napięcia przemiennego i dwa do napięcia po wyprostowaniu.

Układy zabezpieczające przed odwrotnym podłączeniem

Dioda włączona szeregowo z zasilaniem układu może zabezpieczyć go przed uszkodzeniem w razie odwrotnego podłączenia napięcia zasilającego. W jaki sposób? Jeżeli przyłożona polaryzacja napięcia będzie poprawna, dioda otworzy się i będzie przewodziła prąd ze źródła do obciążenia z niewielkim spadkiem napięcia.

Jeżeli zaś napięcie zostanie podłączone odwrotnie, dioda zatka się i będzie przez nią płynął jedynie minimalny prąd nasycenia. Z uwagi na spadek napięcia, najczęściej stosuje się w tym miejscu diody Schottky’ego, aby nie tracić niepotrzebnie napięcia.

Parametry diod prostowniczych

Oto podstawowe właściwości, którymi cechuje się każda dioda prostownicza:

• maksymalne napięcie wsteczne (zaporowe),
• maksymalny ciągły prąd przewodzenia,
• spadek napięcia w kierunku przewodzenia,
• szybkość (czas) przełączania

Przykłady elementów

Na rynku znajduje się wiele różnych diod prostowniczych. Przyjrzyjmy się kilku najpopularniejszym typom.

1N4007

Ta dioda jest znana od lat. To cała seria o ogólnym oznaczeniu 1N400x, gdzie x oznacza dopuszczalne napięcie wsteczne: 1 to 50V, aż po 7, które odpowiada wartości 1000V.

Maksymalny prąd ciągły to 1A, więc nadaje się do zasilaczy małej i średniej mocy. Jest wolna - używa się jej wyłącznie do prostowania napięcia sieciowego 50Hz lub 60Hz. Typowy spadek napięcia w kierunku przewodzenia również jest znaczący i wynosi około 0,8V, zależnie od temperatury. Jest tak popularna, że doczekała się również odmian w innych obudowach, w tym do montażu powierzchniowego.

1N5408

To mocniejsza “kuzynka” 1N4007 - również jest przewidziana na napięcie wsteczne do 1kV, ale może przewodzić prąd o natężeniu do 3A.

Podobnie, jak 1N4007, tak i ta dioda jest stosowana w obwodach niskiej częstotliwości. Spadek napięcia ma zbliżony do poprzedniczki.

P1000M

Ta dioda może przewodzić prąd o natężeniu aż 10A. Jednak uwaga przy tym na jej chłodzenie - przy takim prądzie, w złączu wydziela się kilka watów mocy, co może doprowadzić do jej przegrzania.

1N5819

Ta dioda Schottky’ego może przewodzić prąd o natężeniu do 1A i wytrzymuje napięcie wsteczne o wartości do 40V. Jednak jest zdecydowanie szybsza od 1N4007 i ma niższy spadek napięcia. Można jej użyć w układach prostowniczych niskiego napięcia lub zabezpieczeniu przed odwrotną polaryzacją zasilania.

Podsumowanie

Diody to bardzo obszerny temat, pomimo pozornej prostoty - ot, dwa wyprowadzenia i niewielka obudowa. Jednak zjawiska fizyczne, jakie kryją się za zasadą jej działania, są znacznie bardziej rozbudowane.

Zastosowania diod nie ograniczają się wyłącznie do prostowania napięcia. Można je nimi również stabilizować a nawet użyć do przestrajania obwodów wielkiej częstotliwości w odbiornikach radiowych.