Az elektronika alapjai II. 9631096240 [PDF]

Zitiervorschau

KLAUS BEUTH - OLAF BEUTH

&~ ~!1~OC1fm@!illll~

&!1&I?JJ&ll llllo

KLAUS BEUTH - OLAF BEUTH

~~ ~~~~1fill®~il~ ~~~~J]~il

II. FÉLVEZETÓK

MŰSZAKI KÖNYVKIADÓ BUDAPEST. 1990

A z eredeti

mű :

Beuth, K. - Beuth, O. : Elementare E1ektronik by Vogel-Verlag, Würzburg Copyright 1987 by Vogel-VerIag, Würzburg (ORD)

Lektorálta : Keresztély József okI. m émök

©

Hungarian translation Mak lárn é Fülöp Judit. 1990

ETO : 621.382.2{.3 ISBN %3 10 9622 4 (összkiadás) ISBN 963 10 9624 O

Kiadja a Műszaki Könyvkiadó kiadó : Szűcs Pé ter igazga tó

Felelős

@ 90{4370 Franklin Nyomda, Budapest Felelős vezető :

Mátyás Miklós igazgató

Felelős szerkes ztő:

Molnár Ervin Bereczki Gá bor Műszaki szerkesztő: Bán Ferenc Műszaki vezető :

A borit ót ter vezte : Székely Ed it A könyv ábráit rajzolta : Cse rmely Józsefné A könyv formátuma: BS Ívterjedelme: 15 (AS) Azonossági szám: 61 601 MO : 444lJ.i-9093

Kész ült az MSZ 5601 és 5602 szerin t A kézirat lezárva 1989. december

Tartalom

14.

Félvezető

diódá k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1. A félvezető diódák működése 14.2. Félvezető diódák kiviteli formái . 14.2.1. Rétegdi ódák 14.2.2. Tűsd iód á k 14.2.3 . Teljesítménydiódák (egyenirá nyítók) . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3. Jellemző ada tok és hat árértékek 14.4. A félvezető diódák ellenőrzése. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . ... . 14.5. Di ódá s egyenirányítók . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 14.5.1. Egyutas egyenirány ító ka pcsolás 14.5.2. S z űr ők őr 14.5.3. Középkivezetéses, kétutas egyenirányító ka pcsolás . . . . . . . . . 14.5.4. Hídkapcsolású, kétut as egyenirányít ó áramkör 14.5.5. Többfázisú egyenirányító ka pcsoláso k

9 9 12 12 13 14 14 15 16 16 17 19 21 21

15. Spedális tulajdonságú félvezető diódák 15.1. Z-d iód ák 15.1.1. M űködésmód 15.1.2. Jelleggör bék, adatok, határérték ek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.3. Alka lmazások . . . . .. ... .. .. . . . . . . .. . . . .... . .. . ... . .. . . . 15.2. Ka pacitásdiódák 15.2.1. Felépítés és müködésmód . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.2. Jelleggörbék, a da tok, hatá rértéke k

23 23 23 24 27 29 29 30

16. Bipoláris tran zisztorok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1. A bipolár is tranzisztorok kivitele 16.2. npn tranzisztorok 16.3. pn p tranzisztor . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4. Jelleggör bék, ada tok, határértékek 16.4. 1. Jelleggörbék . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4.2. M űszaki a da tok 16.4.3 . H atárértékek 16.4.4 . Adatlapok 16.5. A tranzi sztorok hűtése ........................ 16.6. E r ős ítő-alapkapcsolások 16.6.1. Em illerkapc solású erősítőrokozat 16.6.2. Báziska pcsolású erősítőfokozat 16.6.3. K ollektorka pcsolású erősítőfokozat

33 34 35 37 3S 38 41 43 43 44 45 45 48 49

5

16.7. A tranzisztor kapcso lóüzeme 16.7.1. Túlvezérelt állapo t és telítési feszültség .. . .. . . . . .. .. . . ... . ............. 16.7.2. Tranziszto ros kapcsol ófokozat o k

50 50 51

17. Unipoláris tranzisztorok 17.1. Záróréteges térvezérlésű tranzisztorok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1.1. Felépítés és m űködésmód. . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . .. . . .. . . . . 17.1.2. Jelleggörbék, adatok, határértékek . . . . . . . . . . . .. .. . . .. . .. . 17.1.3. Alkalmazások . . . . . ... . . . . . . .. . . . . . .. . . .. . . . . .. ... . .. . . 17.2. MO S tranzisztorok 17.2.1. Felépítés és működésmód . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. .. . .. . . . 17.2.2. A MOSF ET típusok összefoglalása . . . .. .. . 17.2.3. Jellegg örb ék, adatok, határértékek 17.2.4. Alkalmazások .. . . . . . .. . .. . . . .. . . . . . . . .. . . . ... . ... .. . .. 17.3. Kettős gale-es MOSF ET

53 53 53 56 58 59 59 61 62 65 67

J8. Erösitö-ára mkörök . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . .. . . . .. .. . .. . . . . . 18.1. Váltakozó feszültségű erősítő.. . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 18.1.1. Követelmények . . . . . . . . . . . . . . .. . .. .. . .. .. . .. ... .. . . . . . . 18.1.2. Többfokoza tú erősitők . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . 18.1.3. Teljesitményerősítők . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2. Egyen feszü ltségű erősí tő. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . .. . . . 18.3. Differeneí álerősítő 18.4. M űvelet i erősítők . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . .. .. 18.4.1. Bevezelés 18.4.2. Felépítés és m űködésmód . . . . .. .. . .... ..... . ....... .... . 18.4.3. Ideális művele ti erősít ő 18.4.4. Valóságos m űvelet i erősítők 18.4.5. Alkalmazási példák. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . . .

68 68 68 70 70 71 71

19. Billenökörök . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 19.1. Bistabi l billenő ára mkörök . . .. . . . .. .... . .. . . . .. . .. .. .... .. . . . . 19.1.1. Felépítés és m űködésmód 19.1.2. Alkalmazási példák 19.2. Monostabil billen őfok oza t 19.2.1. Felépítés és működésmód . . .. . . . . . . . .. .. . .. . . . .... . . . .. . 19.2.2. Alkalmazási példák 19.3. Astabi l billenő áramkör (mu ltivibr átor) 19.3.1. Felépítés és m ű köd és mód . . . . . ... ... ... . .. . . .. . .. .. . . ... 19.3.2. Alkalmazási példák. . . . .. . .. . . .. . .. .. .. . . .... . . . .. . .. . . 19.4. Schrn itt-trigger 19.4.1. Felépítés és m űk öd ésm ó d 19.4.2. Alkalmazási példa

80 80 80 82 84 84 87 89 89 92 93 93 95

20, Oszeillátor-áramkörök . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1. Az oszcilláto r m űk őd é si elve 20.2. Meissner-oszcill áto r . .. . .. .. . . . . . . . . .. . . . .. . .. . . . . . .. . . . .. . . . . 20.3. Hartley-oszcillátor (induktív hárompontos oszcilláto r)

97 97 98 98

6

12 12 73 76 17 77

20.4. Colp itts-oszcilláto r (kapacitív hárompontos oszcillátor) 20.5. KvarcoszcilIátorok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21. Stabilizátor-ára mkörök

2U . Feszültségstabilizátor -kapcsolások. . .... . . . . ... . .. .. .. ... ..... .. 21.2. Ára mstab ilizátor-á ramkörök

99 100 101 101 102

22. Integrált ára mkörök . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1. Által ános leírás 22.2. Integrációs eljárások 22.2.1. Mono lit technológia. .. . .. .. . 22.2.2. Hibrid technológia .. . . .. . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . 22.3. Anal óg és digitális integrált ára mkörök . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3. I. Digitális IC 22.3.2. Analóg IC 22.4. Integr áltságí fok és elemsűrű ség 22.5. Az integrált áramkörök előnyei és hátrá nyai . . . ... .. . . . . . • .. . . . .

112 112 113

23. Tuisztorok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . 23. 1. Négyrétegű diódák (tirisztordiódá k) 23. 1.1. Felépítés és működésmód. . .... .. 23.1.2. Jellemző adatok és ha tárértékek. . . . . . . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 23. 1.3. Alkalmazások . . . . . . . .. . . . ... .. .. . . ... .. . . . .. . . .... . . . . 23.2 . Tirisztorok 23.2.1. Felépítés és működésmód. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . • . . . . . 23.2.2 . Jellemző adatok és határér tékek. . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.3 . Alkalmazási példák 23.3 . Tirisztortetródák 23.3 .1. Felépítés és működésmód. .. . ... . . . ... . ..... . . .. . .. .. . .. 23.3.2. Jellemző adatok és határértékek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.3. Alkalmazások. .. . . .. .. . .. . . . ... .. .. .. . .. . ... . .. ...... .

114 114 114 117 117 lJ 7 117 121 123 126 126 127 127

24. Diac és trlac , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.1. Diac 24.1.1. Kétirányú diódák.. .. . . . . .... . ...... . . .... . . .. . .. . .. . . 24.1.2. Kétirányú tirisztordi ódák 24. 1.3. A diac alkalmazása i. . 24.2. Tr iac . . .. . . . . .. .. ... .... .. .. . . . ... ... . . .. . . . . .. . . . . . . . .. .. . . 24.2.1. Felépítés és működésmód . . ... ... . ... .. .. .. . ... . . . . . . . . . 24.2 .2. Jellem ző adatok és határértékek ;..... 24.3. Vezérlések diac és triac segitségével . , . .. .. . . . . . . . . . . . .

128 128 128 130 131 131 131 134 136

25. Optoelektronika .. . . ... .. . . . . . . . . . . . .. . . . . ... . . . .. .. . . . ... .. .. . . . . . 25. I. Belső fotoelektromos hatás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.2. Fo toellenállások . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . .. . . . . . .. . . .. .. . . . 25.2.1. Felép ítés és működésmód ... . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 25.2.2 . Jellemző adatok és határértékek 25.2.3. Alkalmazások . . . ... . .. . ... . . . . . .. . ... .. . . .. .... ... . ...

139 139 140 140 141 142

105 105 106 106 110

III I II

7

25.3. Fo toelemek és napelemek . . . . . . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . .• . . . . . . .. . . 25.3.1. Felépítés {os műk öd ésmód 25.3.2. Jellemző ada tok és határér tékek . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 25.3.3. Alkalmazások . . .. ... . ... .. .. ... ... . ... . . .... ... ... . . .. 25.4. Fotod iódák . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . ......... " . . . . . . . . . . . . . .. . 25.4.1. Felépítés és működésmód 25.4.2. Jellemző adatok és határértékek . .. 25.4.3. Alkalmazások . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 25.5. Fo totra nzisztorok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. ........... 25.5.1. Felépítés és műkődésmód . . . . . . . . . . . . 25.5.2. Jellemző adatok és határértékek 25.5.3. Alkalmazások . . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . . .. . . ... . . .. . ... . .. 25.6. Vílágitód iódák .. . .. . . .... .... . .... . . ... .. .. . . . ... . ..... . . . . .. 25.6.1. Felépítés és műkődésmód . . . .. . . . .. . . . . .. . .. . . . .. . .. .. . . 25.6.2. J ellemző adatok és határértékek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.6.3. Alkalmazások. . . .. .. . . .. . . .. .. ... .. . . ..... ..... . .. .. .. 25.7. O ptikai csatoló .. 25.7.1. Felépítés és műkődésmód .. ... . . . . . . . . . . . . . .. .. . .. ... ... 25.7.2. Jellemző ada tok és határértékek 25.7.3. Alkalmazások . . .. . . . . . ... . ... . . . . . .. . .. . . .. .. . . .... . ..

142 142 145 146 146 146 147 148 148 148 149 149 150 ISO 151 151 152 152 153 153

26. Különleges tulajdonságú eszközök . . . . . . . . . . . . . .. . .. .. . .. .. . . . .. .. . .. . 26.1. Hall-generátorok .. .. ... .. . . . . . .... . . . . . .. . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . 26.1.1. Hall-effektus 26.1.2. Hall-feszültség . . . . .. .. . .. .. . ..... .. . . .. .... .. . .. ... . . . 26.1.3. Felépítés . ... .. . . . . . . . . .. .... . . . .. ...... . .. .. . .. . . . .. . 26.1.4. Jellemző adatok és határértékek . . . . .. . .. . . . . . .. . . . . . . . . . 26.1.5. Alkalmazások . . . . . . .. . . . . . .. . . ... . . .. . .. ... . . . . . . .. . . . 26.2. Mágnestérlemezek... ... . . ..... . . ... ... .... ... . .. . .... .. . . ... . 26.2.1. Felépítés .. .. . .. .. .. .. .. .. . . . ... ... .. .. .. .. .... . ... . . . 26.2.2. Működ ésmód .. . ......... . .. ... . ... . ... . . . . . .. ... . . .. . 26.2.3. Jellemző adatok és hatá rértékek . . . . . .... 26.2.4. Alkalmazások . .. .. .. . . . ... . . . .. . . . . . . . . . .... . . .. . ... . . 26.3. Mágnesdiódák . .. . . . .. . . . . . . .. .. . .. . . . .. . . . .. .. . . . . . . . .. . . . . . 26.3.1. Felépítés .. . . . . . . ... ....... .. . ..... ........ ... ..... . .. 26.3.2. Működésmód .. ... . . . . .. . . . . . .. . . . ... . .. .. . . ... . .. . .. . 26.3.3. Jellemző adatok és határértékek . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 26.3.4. Alkalmazások 26.4. Nyomásfüggő félvezető elemek 26.4.1. Piezoelektromos hatás 26.4.2. P iezofélvezet ő 26.5. Fo lyadékk ristályos alkatrészek 26.5.1. Folyadékkristályok. . . .. . . . . .. . . . ... . . . . . . .. . . .. . . .. . . . 26.5.2. A kijelzőelemek felépítése 26.5.3. Alkalmazások . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .

154 154 154 155 155 156 157 157 158 158 159 160 160 160 161 161 162 162 162 163 163 163 164 166

8

14.

Félvezető

diódák

14.1. A félvezető diódák mííködése A félvezet ő diódák előállításához k ü l önböző félvezető kri stályokat alka lma zna k. A szilíciumkristá lyokna k különösen j ó tulajdonságaik vanna k, belőlük nagy áramú diódák á llíthatók elő. Kisebb áramerősségekre a germániumkristá lyoka t használják. A kristályoknak nagy tisztaságúaknak és egykri stályos szerkezetüeknek kell lenniük. azaz a kri stály felépítésének egységesnek és zavarmentesnek. A kri stályokat a lkalmasan kiválasztott idegen anyago kka l célirányosan szennyezik, más szóva l a da léko lják. A szennyező anyag kiválasztásától ftiggően kapunk n vagy p tlp usú szilíciumot. Az n típusú szilícium mo zg ásk épes negatív töltéshordozóka t tartal ma zó szilícium egykristá ly.

A p tÍpusú szilícium mozgásképes pozit ív töltéshordozókat tarta lmazó szilícium egykristály. Germániu mk ristályokat a lka lmazva n, ill. p típu s ú germá nium félvezet őt kapunk. Minden félvezető diódán ak p és n típ nsú tartomá nya van. A szilíciumdiódák p tartománya p típusú, n tartománya n típu sú szilícium. A két tartomány határán egy pnátmenet a lakul ki, ez a tul ajdonképpeni félvezető dióda. A pn- átmenetnek egyenirányító hat ása va n. A pn-átmenet nyitó- vagy zárói rán yba n m űködte thető. A p tarto mányt a telep po zitív pó lusára kapcsolva a pn-át menet nyitó irányban van bekötve, ellenkező polaritás esetén záróirányba n. Ha a pn-átmenet nyitói rányú polaritássa l van bekötve, akkor nagyon kicsi a dióda ellenállása . Ha a pn-átmenet záróirá nyú polari tással van bekötve, a kkor a díóda ellenállá sa nagyon nagy. A félvezető dióda az áramot a z egyik irányban áten gedi, a másik irányban lezá rja. Az egyenirányítás műszaki jelentősége igen nagy . A 14.1. á bra a dióda elvi felépítését és rajzjeiét mu tatja . A rajzjel háromszögrésze a p tartományt szimbo lizálja. A vezeték irán yába mut at ó csúcs az áteresztő á llapo tba n érvénye s á ramirányt adja meg. (A jelölés a technikai áramirányra vonatkozik.) A félvezető dióda á rama és feszült sége k őz őtti pontos összefüggést a dióda jelleggő r­ béje írja le. A 14.2. á brán a jelleggörbe felvételére alkalmas mérési elrendezés lá tha tó.

9

~ I I

~ Anód

1:>1 Rajzje/

Katód

14.1. ábra , A dióda fel építése és rajzjele Először egy szilíciumdióda nyitóirá nyú szakaszá t vizsgáljuk. Az A po nthoz kö tj ük a hál óza ti tá pegység pozi tív sarkát. Kis feszültség eset én (0,1 v) csupá n nagyon kis á ra m folyik. A pn- átmenet még visw nylag nagy ellen állás ú. Növekvő feszült séggel az ára m eleinte esa k kism értékben nő, majd U = 0,6 V-tól kezdve nagyon erős áramnövekedés figyelhető meg. A dióda ki s ellenállásúvá válik . A 0,7 V körüli értéket küszöbfeszült ségn ek nevezzük.

I~'C B

-

-

- --

13

14.2. ábra. Áramkör a diód a I = ! l U) je lleggör béjének felvételéhez

Germániumdi óda esetén ha sonló jellegű gö rbe adódik. A pa- átmene t n övekvő feszültséggel egyre kiseb b ellenállású lesz, és a küszöbfeszül tség kb . 0,3 V-nál ad ódik (14.3. ábra). A küs zöbfeszültség közelitő ért éke a meredek görbeszakasz meghosszabbít ásána k a z U tengellyel való met széspontjában találh at ó (14.4 . ábra).

A félvezető dióda ellená llása a k üszöbfeszühség feletti tartományban kic si. A zá róirányú jelleggörbe felvételéhez fel kell cseré lni a tápfeszültség polaritásá t. A kri stály saját (int rinsic, i-) vezetőképcsségére visszavezethető záróárama kicsi; Gediódák eselén néhány fU\, Si-diódákná l néhány nA. Növekvő zárófeszültséggel a Ge diódák zá róára ma kissé növekszik, a Si-diódák é kö zel állandó marad. A diódát nem szaba d túlterhelni. A gyártó á lta l megadott legnagyobb ára mot és legnagyobb megengedett záróirányú feszült séget nem sza bad túllépni. Ha t úll épjük a legnagyobb megenged ett záró irányú feszült séget, átütés jön létre. A félvezető diódák tönkremenetelének gya ko ri oka a h ő átü t é s . Ekkor a kristály amegengedett nél jobban felhevül, ezá lta l tönkremegy. A krist ály túlhevülé s okozta ro ncselőd á sa nyitóirányban is előfordulha t, ha a z ára m lényegesen tú llépi a megengedett értékét, és a kri stály t úlzottan felmelegszik . A krist ály belsejé ben legerősebben a határréteg melegszik fel. A legnagyobb megengedett hőrnérsékletek ezért a hat árrétegre vonatkoznak . Szoká sos legnagyobb megengedett határrét eg-hőmérs ékletek : sziliciumdiódá kra : ISO -c, germánium diódákra : SO oc. 10

IF,mA ~O

70 60

S i - diÓda

50 ~O

30 20 10

UR. V

50 5 Q2 Q~ 0.6 0.6 1.0 1,2

\

S.

l.F.v

1)

Zár-ÓSI IortomÓf?Y

- Ge

15 20 25

S i - szil/c/um Ge - germónium

14. 3. ábra. A germánium- és sziliciumdiódák tipikus J- lj jelleggörbéje

~ mA

70 60

50 ~O

30 20 10

14.4. ábra , A

kűszőbfeszü ltség

meghatározása

A jelleggörbékből a diódák ellená llása leolvashat ó. Egyenáramú ellenállást és differenciális ellená llást külö nbö ztetünk meg. UF feszültségnél I F áram folyik, és az UF ! I F hányad os az RF egyenáramú ellenállást a dja:

A differenciális ellen áll ásra érvényes a

követ kező :

11

A félvezető diódá k rF differenciál is ellená llása a jellegg örbe minden egyes pontján má s és má s érték ű. Ha egy Ge-diódára 0,4 V feszültséget kapcsolun k, akkor a 14.3. ábra jelleggörbéje szerint 14 mA áram folyik. Ha a feszültséget kis Ll UF értékkel növeljük, akkor az áram LlI"..fel növekszik. H a r F és LlU F ismert, az I F szá mítható. A 14.1. táb lázat a félveze tők néhá ny je llemzőjét adja meg. A pontos értékeket ka talógusokból kell venn i. 14./ . láb/ázal I

I

Ge

Küszöbfeszültség, V

I

0,3

Nyit ói ninyú ellenállás, cl ( 1 mm" fe l ü let ű po- átmenet re vona tko ztatva)

I I I

Je llemző

I

Záróirányú ellen ál lás, MO

5...10

I

I I

I I

0,1... 10

Sí 0,7

2.. .50 1. ..3000

I

Ma ximális zárófeszültség , V A po-átmenet maximális üzem i h ő mérsékle te ,

"C

Egyeni rányítási hatásfok, %

14,2.

Félvezető

I I

kb. 200

90

200

I

98

99,5

I,

1- - - - 1I

kb. 3000

diódák kiviteli fonnái

A gyakorlatban kü l ő nbséget teszün k az ún. jeldiódák és egyenirányító k k öz ött . Egyenirán yítók azok a félvezet ő diód ák, amelyeket a t ápegységekbe építenek. Ezeket nagy áramerősségekre és többnyire nagy záró feszültségekre m éretezik : nagy teljesítmények egyenirá nyítására sze lg álnak. Az időnként ha sznált teljesítm énydióda megnevezés tehát nagyon is szakszerű. M inden egyéb félvezető diódát , amelyeket pl. a h írad ástechnik ában. a z elektronikában és az info rmációtcchnikában alkalmaznak, jeld iód án ak vagy röviden csak diódának nevezünk.

14.2.1. Rétegdiódák A rétegdi ód ák pn- átrnenete nagyobb felületű. Külön böz ő technológiákka l állí tják elő őket , pl. d iffúz i ós eljárással vagy planárdiódaként (14.5. ábra). A rétegdiód ák többnyire Si-diódák. Nagy obb áramerősségeket tudnak elviselni és nagyobb a zárófeszült ségük, mint a megfel elő G e-di ódá knak . Mínél nagyobb a rétegdióda pn- átrnener ének felülete, a nná l nagyobb az átmenet ka pacitása. A nagy ka pacitású rétegdiódák nagy frekvenciák ra nem a lka lma sak. Az egyeni rá nyítá s ill már nem működ ik, a pn - átrnenet kapacit ása úgy hat, mint egy, a diód áva l párhuzamosan kapcsolt kon -

12

'1IJ--'Q AAogdt!xb

14.5. ábádróda

félvezető

Szubsztra

diód ák kiviteli formái

14.6. ábra. A on-átmenet kapacitása a diódával párhuzamosan kapcsolt kondenzátorként hat

den zátor (14.6. á bra). A nagyfrekvenciás áram - a di óda helyett - ezen a koridenzá to ron keresztül folyik, A rétegdiódák kapcsolási idői a p n- átrnenet kap acitá sával szint én nőnek. Plan ár rechnológiáva l a rétegdiód ák kiseb b fel ület ű á tmenettel és nagyon rövid ka pcsolási idővel á llíthatók elő.

14.2.2. Túsdiódák A t űsdi ódá k és különleges kiviteli formák (pl. az aranytűs diódák) tö bbn yire germá niumból készülnek. Kicsiny, n típusú germá niumk ristá ly darabká ra hegyes huzalt helyeznek és ő sszehegesztik a kristálIyal. A hu zal ötvözőként megfelelő akcep torat omok a t ta rta lma z, a melyek a hegesztési m űvelet sorá n behatolnak a germán ium kri stályba , és par ányi (kb . 50 IJ-má tmérőjű) p típu sú ta rtományt ala kítana k ki (14.7. ábra ).

~ =4E?B~ p

tartomány

14.7. ábra. A tűsdióda felépítése

A t űsdiódáknak extré m kicsiny felületű pn-átrnene t ük van , és természetesen nagyon kicsi a rétegkapacit ásuk (gyak ra n kb. 0,2 pF). Nagy frekvenciára igen a lka lmasak . Az a ranyt űs dióda kü l ő n leges kivitelű lű sdi óda. Az a ranyhuza lt tornpahegesztéssel erősítik fel. A pn-átrnene t felülete ezá lta I valam ivel nagyobb, mint a szok ásos rüsdiód ák é (kb. 100 IJ-m átmérőjű), és a kri stá ly erősen szennyeződ i k. Így a kristály ellená llása kicsi. Az a ra nyr üs di ódá kna k (14.8. ábra) nyit óirányban nagyon kicsi az ellená llásuk . A tűs és aranytűs di ód ákat főként a hí radá stechnikában a lka lmazzák. Gyakran használják dernodul átordiódak ént rá dió- és tévékészülékek ben. Ka pcsolódiódaként is beépít hetők, de a kicsi pn- á tmen et ű, korszer ű pla n árdiódák ka pcso lódiódaként előnyö­ sebben a lka lmaz ha tó k. n

p lartomá~

14.8. ábra. Az

aranytűs

dióda felépítése

13

14.2.3. Teljesítménydiódák (egyenirányitók) A teljesítménydiódák túlnyomó többségük ben szilíciumdiód ák. Néhány k ülönlege s esetben még szelén egyenirá nyít ókat (szeléncellá kat) is alka lma znak . Az Si-diód ák jelleggörbéinek a k üszöbfeszült ség felett igen nagy a meredeks ége. Nagy feszült ségeknél nagyon kicsi a vezető irányú ellenállás ( U = 220 V esetén pl. 30 mQ). Igen nagy zá r ó fesz ü l tség ű (3000 V feletti) Si-d iódá ka t is készítenek . A kr ístá lynak közel20ü "C-ra sza bad felmelegednie. A nagy áramerősségre (500 vagy 1000 A) készült teljesítménydi ódák viszony lag kis m éret űek (14.9. ábra). A tulajdonképpeni sziliciumta bletta elég kicsi, és nagyon kicsi a hőkapacitása . A röv id ideig ta rtó túl-

Si-kristóly~~~~~~l

(pasztilla)

14.9. ábra. A Si-teljesítménydióda felépítése

áramnak (rövidzárá si á ram na k) vagy a sza bá lytalan hűtésnek hőmérséklet i túlterhe lés lehet a köve tkezménye, a Si-tabletta ezután a másodperc törtrésze alatt rönkreme het. Ebben rejlik a z Si-teljesít ménydiódák há trá nya. Si-teljesítménydiódákkal olyan egyenirányitó kapcsolásoka t kész íthet ünk. amelyeknek ha tásfoka 99,5% . Ez a nagyon kicsi vezető irányú ellenállás miatt lehetséges.

14.3 . A

Jellemző

adatok és határértékek

félveze tő

di ódákat gyá rtó cégek gy árt mányka ta l ógusaiba n adják meg pontosa n a diódák tulajdonságai t, és ezek a ka tal égusok az adatokon kivül a jelleggörbéket is tart almazzá k. Az ada to kná l hat árértékeket is jellemző adatoka t kül önböztet ünk meg. félvezető

H at árértékek a zok a z ér tékek, a melyeket a felhasználó nem léph et túl a nélkül, hogy meg ne kock áztatn á a z a lka tré szek a zonnali tönkrernenetel ét, A jellem ző ada to k azok az értékek, am elyek a z a lka trészek üzem i ta rtományá t írjá k le. A jellemző adatok mint tipikus értékek vagy mint gara ntá lt értékek adhat ók meg. A tipikus ért ékek több a lkatrészre vett átlagér tékek, [gy a z egyes példányok jellernz ői a tipikus értéktő! néha igen jelent ősen eltérhetnek. A gara ntált értékeket a gyá rtó szava tolja. A legt öbb esetben azonban nem egy adott ér téket szavatol, hanem biztosítja , hogy az illető érté k bizonyos határ a latt ma rad. 14

Ha pl. a pn-átmene t garan tált kapa citása C diód án ál 0,75 pF a latt van ez a ka pacitá s.

-c

0,75 pF, akko r az ilyen típusú összes

Fontosabb határértékek Maximális zárófe szültség (UR M ) : A legnagyo bb feszültség, a mellyel a dióda záróirányban igénybe vehető. Ezt az értéket rövid ideig sem sza bad túllépni. Maxi má lis nyitóirán yú á ram (IF) : Ad ott kristályhőmérsékletnél érvényes ma ximális nyitóirányú áramerősség (egyenáram vagy effektív érték). Periodikus csúcsára m (/FRM ) : A legnagyobb megengedett cs úesára rn, amely per iodi kusan visszatérhet. Ma ximális veszteségi teljesh mény (Pt .,.): A legnagyobb megengede tt, összes veszteségi teljesítmény. A pn-átrnenet hőmérséklete ('lj vagy {jj): A pn-átmenet ta rto má nyába n megengedett legnagyobb hőmérséklet. Tárolásihőmérsék let-tartomány (T. vagy {jJ : A di ódát ezen a hőmérsékleten kell tárolni. Sem működés közben. sem másko r ne m sza bad a d iódát a mega dottól eltérő hőmérsékletnek ki tenni - k ülönben károsodik. Fontosabb jellemzők Nyitófeszült ség (UF ) : Adott nyit óirányú áramná l rnért feszült ség. Zá róirányú áram (IR): Meghat ározot t zá rófesz ültség és hőmérsékle t esetén kialakuló áram . Rétegkapacitá s (c).

14.4. A félvezető diódák ellenőrzése A sza kember egyszerű eszközökkel meg tudja állapítani, hogy egy di óda tönkrement-e vagy sem. Az a legkézenfekvőbb, ha egy ellená llás mérő híddal (p l. Wh eat stone-hídda l) ellenőrzi a di ód át, Ilyen hid ak kéziműszer formájában is létezne k. Legtöbb esetben 4,5 V-os zseblám paelem táplálja őket . A diódát az ismeretlen R x ellenállás számá ra rendelkezésre álló csatl ak ozásokra kötjük. Ezután először a nyitóirányú ellenállást, majd a dióda megfordítása után a zá r óirányú ellenállást mérjük meg. A mérőh íd rá kapcsolásakor a 4,5 V tápfeszül tség ali gha teheti tönk re a diódát. Mégsem ajánlatos kisebb diódák eset én a mérést túl sokáig elny újtani. A diódára ka pcsolt feszültségnek a küszöbfeszült ség felett kell lennie (14.10. ábra ),

14.10. ábra . A diód ák vizsgálatakor alkalmazo tt feszültségnek a küszöbérték felett kell lennie

a7

lF. V

15

különben túl nagy értéke t mérünk nyitó irányú ellenállásként. Ha a dióda rendben van, akko r az egyik irányba n néhány D (\.. .200 D, ill. teljesítménydiódánállényegesen kisebb) ellenállást mérünk. A másik irán yban néhány MO (kb. 0,5...300 M O) záró irá nyú ellenállást kapunk. Ha rnindkét irányban kis ellenállást mérünk, a dióda hibás (zárl atos). Akkor is hibás a dióda, ha mindkét irányban nagyon nagy ellenállásértéket állapÍlunk meg (szakadás). Ha egy diódát egészen pontosan meg aka runk vizsgálni, megfelelő mérőműszerekre van szükségünk. Ezekkel a gyártó ált al megadott adatokat ellenőrizni tudjuk, és felvehetjük a dióda pontos jelleggörbéjét. A jelleggörbe felvételekor ügyelni kell a rra, hogy mérés közben a dióda túlságosan fel ne melegedjen . A gyártó által megad ott jelleggörbék és jellemzők legtöbbször csak adott hőmérsékleten érvényesek. A félvezető diódák paraméterei bizonyo s tartományban szóródnak is, a gyárt ó adataitól való bizonyos eltérés megengedett.

14.5.

Diódás egyenirányítók

14.5.1. Egyutas egyenirányító kapcsolás A félvezető dióda az áramot az egyik irányba n átengedi, a másik irányban lezárja, így ára m-egyenirány ító hatása van. A félvezető dióda ezért váltakozó áramok egyenir ányítására alka lmas alkatrész. A 14.11. ábra egy egyszerű egyenirányító kapcsolást mutat be. AzA-B kapcsok között U, feszültség van . A l, és 12 idők között (po zitív félperiódus) az A-nak a B-hez képest pozit ív feszült ségértéke va n. A dióda nyitóirányban van bekötve, és I áram folyik, amelynek nagyságát az U, feszültség és az RT hat ározza meg.

I

~

I

A ?"""""--.1.......-P>I--l.----r--~ v U, _220V

B ,y 20 18 16

I