Dioda penyearah digunakan dalam rangkaian kontrol, rangkaian switching, rangkaian pembatas dan decoupling, dalam catu daya untuk mengubah (menyearahkan) tegangan bolak-balik menjadi tegangan searah, dalam rangkaian penggandaan tegangan dan konverter tegangan searah, di mana tuntutan tinggi tidak ditempatkan pada parameter frekuensi dan waktu sinyal. Tergantung pada nilai arus maksimum yang diperbaiki, ada dioda penyearah daya rendah(\(I_(pr maks) \le (0,3 A)\)), kekuatan sedang(\((0,3 A)< I_{пр max} \le {10 А}\)) и kekuatan tinggi(\(I_(pr maks) > (10 A)\)). Dioda berdaya rendah dapat menghilangkan panas yang dihasilkan oleh wadahnya; dioda berdaya sedang dan tinggi harus ditempatkan pada heat sink khusus, yang disediakan, antara lain. dan desain tubuh mereka yang sesuai.
Biasanya, rapat arus yang diizinkan yang melewati persimpangan \(p\)-\(n\) tidak melebihi 2 A/mm2, oleh karena itu, untuk mendapatkan nilai rata-rata arus penyearah di dioda penyearah di atas, planar \( p\)-\ (n\)-transisi. Persimpangan tersebut memiliki kapasitansi yang signifikan, yang membatasi frekuensi operasi maksimum yang diizinkan (\(f_р\)) dioda penyearah.
Sifat penyearah dioda semakin baik, semakin rendah arus balik pada tegangan balik tertentu dan semakin rendah penurunan tegangan pada arus maju tertentu. Nilai arus maju dan arus balik berbeda beberapa kali lipat, dan penurunan tegangan maju tidak melebihi beberapa volt dibandingkan dengan tegangan balik, yang bisa ratusan volt atau lebih. Oleh karena itu, dioda memiliki konduktivitas satu arah, yang memungkinkannya digunakan sebagai elemen penyearah. Karakteristik arus-tegangan (CV) dioda germanium dan silikon berbeda. Pada Gambar. Sebagai perbandingan, Gambar 2.3-1 menunjukkan karakteristik arus-tegangan yang khas untuk dioda penyearah germanium dan silikon pada suhu lingkungan yang berbeda.
Beras. 2.3-1. Karakteristik arus-tegangan dioda penyearah pada suhu lingkungan yang berbeda
Dari karakteristik arus-tegangan yang diberikan jelas bahwa arus balik dioda silikon jauh lebih kecil dibandingkan arus balik dioda germanium. Selain itu, cabang terbalik dari karakteristik arus-tegangan dioda silikon tidak memiliki daerah saturasi yang jelas, hal ini disebabkan oleh pembentukan pembawa muatan di persimpangan \(p\)-\(n\) dan arus bocor. sepanjang permukaan kristal. Ketika tegangan balik diterapkan melebihi tingkat ambang batas tertentu, terjadi peningkatan tajam pada arus balik, yang dapat menyebabkan kerusakan pada persimpangan \(p\)-\(n\). Pada dioda germanium, karena arus balik yang besar, kerusakannya bersifat termal. Dioda silikon memiliki kemungkinan kerusakan termal yang rendah, kerusakan listrik mendominasi di dalamnya. Kerusakan dioda silikon bersifat longsoran, oleh karena itu, tidak seperti dioda germanium, tegangan rusaknya meningkat seiring dengan meningkatnya suhu. Tegangan balik yang diizinkan dari dioda silikon (hingga 1600 V) secara signifikan melebihi tegangan balik dioda germanium.
Arus balik sangat bergantung pada suhu sambungan. Gambar tersebut menunjukkan bahwa dengan meningkatnya suhu, arus balik meningkat. Untuk perkiraan perkiraan, kita dapat berasumsi bahwa dengan peningkatan suhu sebesar 10 °C, arus balik dioda germanium meningkat 2 kali lipat, dan arus balik dioda silikon sebesar 2,5 kali lipat. Batas atas kisaran suhu pengoperasian untuk dioda germanium adalah 75...80 °C, dan untuk dioda silikon - 125 °C. Kerugian signifikan dari dioda germanium adalah sensitivitasnya yang tinggi terhadap kelebihan beban pulsa jangka pendek.
Karena arus balik yang lebih rendah dari dioda silikon, arus majunya, sama dengan arus dioda germanium, dicapai pada tegangan maju yang lebih tinggi. Oleh karena itu, daya yang dihamburkan pada arus yang sama lebih kecil pada dioda germanium dibandingkan pada dioda silikon. Tegangan maju pada arus maju rendah, ketika penurunan tegangan pada sambungan mendominasi, menurun dengan meningkatnya suhu. Pada arus tinggi, ketika penurunan tegangan pada resistansi daerah netral semikonduktor mendominasi, ketergantungan tegangan maju pada suhu menjadi positif. Titik di mana tidak ada ketergantungan tegangan maju pada suhu (yaitu ketergantungan ini berubah tanda) disebut titik inversi. Untuk sebagian besar dioda berdaya rendah dan menengah, arus maju yang diizinkan, sebagai suatu peraturan, tidak melebihi titik inversi, dan untuk dioda berdaya tinggi, arus yang diizinkan bisa lebih tinggi dari titik ini.
Perkenalan................................................. ....... ................................................... ............. ................... 3
§1. Dioda penyearah................................................. ................................................... 4
§2. Dioda zener................................................ ........................................... ............. .... 9
§3. Varikap................................................. ....... ................................................... ............. ......... 12
§4. LED................................................. ....... ................................................... ............. ...... 15
§5. Fotodioda................................................. ....... ................................................... ............. ....... 18
Daftar Pustaka................................................ . ................................................. ..... 22
Dioda (dari bahasa Yunani kuno δι - dua dan -od dari kata elektroda) adalah perangkat elektronik dua elektroda yang memiliki konduktivitas berbeda tergantung pada arah arus listrik. Elektroda dioda yang dihubungkan ke kutub positif sumber arus ketika dioda terbuka (yaitu mempunyai resistansi rendah) disebut anoda, dihubungkan ke kutub negatif - katoda.
Perkembangan dioda dimulai pada kuartal ketiga abad ke-19 dalam dua arah sekaligus: pada tahun 1873, ilmuwan Inggris Frederick Guthrie menemukan prinsip pengoperasian dioda termionik (tabung vakum yang dipanaskan langsung), pada tahun 1874, ilmuwan Jerman Karl Ferdinand Braun menemukan prinsip pengoperasian dioda kristal (solid-state).
Prinsip pengoperasian dioda termionik ditemukan kembali pada tanggal 13 Februari 1880 oleh Thomas Edison, dan kemudian dipatenkan pada tahun 1883 (Paten AS No. 307031). Namun ide tersebut tidak dikembangkan lebih lanjut dalam karya Edison. Pada tahun 1899, ilmuwan Jerman Karl Ferdinand Braun mematenkan penyearah kristal. Jadish Chandra Bose mengembangkan lebih lanjut penemuan Brown menjadi perangkat yang dapat diterapkan pada deteksi radio. Sekitar tahun 1900, Greenleaf Picard menciptakan radio dioda kristal pertama. Dioda termionik pertama dipatenkan di Inggris oleh John Ambrose Fleming (penasihat ilmiah perusahaan Marconi dan mantan karyawan Edison pada tahun 1904 pada bulan November enam belas (paten AS No. 803684 November 1905). Pada tahun 1906 pada bulan November dua puluh Picard mematenkan sebuah detektor kristal silikon (paten AS No. 836531).
Pada akhir abad ke-19, perangkat semacam ini dikenal sebagai penyearah, dan baru pada tahun 1919 William Henry Ickles menciptakan kata "dioda", yang berasal dari akar kata Yunani "di" - dua, dan "odos" - jalur.
Penyearah arus listrik adalah suatu alat mekanis, elektrovakum, semikonduktor atau perangkat lain yang dirancang untuk mengubah arus listrik masukan bolak-balik menjadi arus listrik keluaran langsung.
Penyearah dioda atau jembatan dioda (yaitu, 4 dioda untuk rangkaian satu fasa (6 untuk rangkaian setengah jembatan tiga fasa atau 12 untuk rangkaian jembatan penuh tiga fasa), saling berhubungan dalam suatu rangkaian) adalah penyearah utama komponen catu daya untuk hampir semua perangkat elektronik.
Jembatan dioda adalah sirkuit elektronik yang dirancang untuk mengubah (“menyearahkan”) arus bolak-balik menjadi arus searah yang berdenyut. Jenis penyearah ini disebut penyearah gelombang penuh.
Mari kita soroti dua opsi untuk menghubungkan rangkaian jembatan: fase tunggal dan tiga fase.
Rangkaian jembatan satu fasa:
Tegangan bolak-balik disuplai ke input rangkaian (untuk kesederhanaan, kita akan mempertimbangkan tegangan sinusoidal); dalam setiap setengah siklus, arus melewati dua dioda, dua dioda lainnya tertutup (Gbr. 1 a, b) .
 |
Gambar 1 a) Rektifikasi setengah gelombang positif b) Rektifikasi setengah gelombang negatif
Sebagai hasil dari konversi ini, keluaran rangkaian jembatan menghasilkan tegangan berdenyut dua kali frekuensi tegangan masukan (Gbr. 2 a, b, c)
Gambar 2. a) tegangan awal (tegangan masukan), b) penyearah setengah gelombang, c) penyearah gelombang penuh
Rangkaian jembatan tiga fasa:
Pada rangkaian jembatan penyearah tiga fasa, hasilnya adalah tegangan keluaran dengan riak yang lebih kecil dibandingkan pada penyearah satu fasa (Gbr. 3).
Gambar 3. Tegangan keluaran penyearah tiga fasa
Penyearah dioda juga banyak digunakan untuk menyearahkan tegangan tiga fasa. Rangkaian penyearah yang sangat umum didasarkan pada penyearah dioda setengah jembatan (Gbr. 2). 4.
Gambar 4. Rangkaian penyearah setengah jembatan tiga fasa
Biasanya, untuk memuluskan tegangan pulsasi pada keluaran penyearah, digunakan filter berupa kapasitor atau induktor, dan dioda zener dipasang untuk menstabilkan tegangan keluaran (Gbr. 2). 5.
Gambar 5. Rangkaian penyearah dioda dengan filter
Desain, kelebihan
Gambar 6. Jembatan dioda menggunakan elemen diskrit
Perancangan jembatan dioda dapat dibuat dari dioda individu, atau dalam bentuk struktur monolitik (rakitan dioda). Konstruksi monolitik, pada umumnya, lebih disukai - lebih murah dan volumenya lebih kecil. Dioda di dalamnya dipilih di pabrik pabrikan dan parameternya semirip mungkin satu sama lain, tidak seperti dioda individual, di mana parameternya mungkin berbeda satu sama lain, terlebih lagi, dalam kondisi pengoperasian, dioda dalam rakitan dioda beroperasi dalam mode rezim termal yang sama, yang mengurangi kemungkinan kegagalan elemen. Keuntungan lain dari perakitan dioda adalah kemudahan pemasangannya di papan. Kerugian utama dari desain monolitik adalah tidak mungkin mengganti satu dioda yang rusak dengan yang lain; dalam hal ini, seluruh rakitan perlu diubah, tetapi ini sangat jarang terjadi jika mode pengoperasian jembatan dioda adalah dipilih dengan benar.
Gambar 7. Rakitan dioda
Cakupan penerapan jembatan penyearah sangat luas, misalnya:
Perangkat penerangan (lampu neon, ballast elektronik, modul baterai surya);
Meteran listrik;
Catu daya dan unit kontrol untuk peralatan rumah tangga (TV, mixer, mesin cuci, penyedot debu, dekoder, komputer, lemari es, perkakas listrik, dll.), pengisi daya untuk telepon seluler dan laptop, AC/DC-DC/DC konverter;
Industri (catu daya, pengisi daya, unit kontrol motor listrik, pengatur daya, dll.), penyearah otomotif.
Dioda Zener (Dioda Zener) adalah dioda semikonduktor yang dirancang untuk menstabilkan tegangan pada catu daya. Dibandingkan dengan dioda konvensional, ia memiliki tegangan tembus yang diatur cukup rendah (bila dihidupkan secara terbalik) dan dapat mempertahankan tegangan ini pada tingkat yang konstan bahkan dengan perubahan arus balik yang signifikan. Bahan yang digunakan untuk membuat sambungan pn dioda zener memiliki konsentrasi pengotor yang tinggi. Oleh karena itu, pada tegangan balik yang relatif kecil, timbul medan listrik yang kuat pada sambungan tersebut, menyebabkan gangguan listrik, yang dalam hal ini bersifat reversibel (jika kerusakan termal tidak terjadi karena terlalu banyak arus).
Gambar 8. Penunjukan dioda zener pada diagram rangkaian
Gambar 9. Penunjukan dioda zener dua anoda pada diagram rangkaian
Pengoperasian dioda zener didasarkan pada dua mekanisme:
· Kerusakan longsoran pada sambungan p-n
· Kerusakan terowongan persimpangan pn (efek Zener dalam literatur Inggris)
Meskipun hasil tindakannya serupa, mekanisme ini berbeda, meskipun terdapat bersama dalam dioda zener mana pun, namun hanya satu yang mendominasi. Untuk dioda zener, hingga tegangan 5,6 volt, kerusakan terowongan dengan koefisien suhu negatif mendominasi; di atas 5,6 volt, kerusakan longsoran dengan koefisien suhu positif menjadi dominan. Pada tegangan 5,6 volt, kedua efek tersebut seimbang, sehingga memilih tegangan ini adalah solusi optimal untuk perangkat dengan rentang aplikasi suhu yang luas.
Mode kerusakan tidak terkait dengan injeksi pembawa muatan minoritas. Oleh karena itu, dalam dioda zener, fenomena injeksi yang terkait dengan akumulasi dan resorpsi pembawa muatan selama transisi dari daerah kerusakan ke daerah pemblokiran dan sebaliknya praktis tidak ada. Hal ini memungkinkan mereka untuk digunakan dalam rangkaian pulsa sebagai klem dan pembatas level.
Jenis dioda zener:
Presisi - telah meningkatkan stabilitas tegangan stabilisasi, bagi mereka standar tambahan diperkenalkan untuk ketidakstabilan tegangan sementara dan koefisien suhu tegangan (misalnya: 2S191, KS211, KS520);
Dua simpul - memberikan stabilisasi dan pembatasan tegangan bipolar, bagi mereka nilai absolut asimetri tegangan stabilisasi juga dinormalisasi (misalnya: 2S170A, 2S182A);
Kecepatan tinggi - memiliki kapasitansi penghalang yang berkurang (puluhan pF) dan durasi proses transien yang singkat (satuan ns), yang memungkinkan Anda menstabilkan dan membatasi pulsa tegangan jangka pendek (misalnya: 2S175E, KS182E, 2S211E).
Dioda semikonduktor dan karakteristiknya
Dioda adalah perangkat semikonduktor yang terdiri dari satu - transisi dan memiliki dua terminal: anoda dan katoda. Dioda semikonduktor sangat banyak, dan salah satu ciri klasifikasi utama adalah tujuannya, yang dikaitkan dengan penggunaan fenomena tertentu dalam - transisi.
Dioda yang dirancang untuk mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah disebut memperbaiki. D Bagi mereka, yang utama adalah efek katup (rasio arus maju dan mundur yang besar), tetapi tidak ada persyaratan ketat untuk karakteristik waktu dan frekuensi. Mereka dirancang untuk arus yang signifikan dan memiliki area yang luas - transisi. Dioda nyata biasanya menggunakan dioda asimetris. - transisi. Dalam transisi seperti itu, salah satu wilayah kristal (wilayah dengan konsentrasi pembawa mayoritas lebih tinggi) biasanya memiliki resistivitas yang cukup rendah, dan wilayah lainnya memiliki resistivitas tinggi. Daerah dengan resistansi rendah merupakan sumber dominan pembawa muatan bergerak, dan arus yang melalui dioda ketika sambungan dihidupkan secara langsung hampir seluruhnya ditentukan oleh aliran pembawa muatan mayoritasnya. Oleh karena itu, daerah kristal semikonduktor dioda dengan resistansi rendah disebut emitor. Perbedaan konsentrasi pembawa muatan utama juga mempengaruhi lokasi - transisi pada batas daerah dengan jenis daya hantar listrik yang berbeda. Karena konsentrasi pembawa yang lebih tinggi di wilayah resistivitas rendah (seperti disebutkan di atas), lebarnya - ada lebih sedikit transisi di dalamnya dibandingkan dengan resistivitas tinggi. Jika perbedaan konsentrasi pembawa utama besar, maka - Transisi tersebut akan berlokasi hampir seluruhnya di wilayah resistivitas tinggi, yang disebut basis.
Karakteristik arus-tegangan dioda nyata dan - transisinya berdekatan satu sama lain, tetapi tidak identik (Gambar 1.6). Perbedaan terlihat pada cabang maju dan mundur. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa ketika menganalisis proses pada sambungan, baik dimensi kristal dan sambungan, maupun resistansi lapisan semikonduktor yang berdekatan dengan sambungan tidak diperhitungkan. Kehadiran daerah basis resistansi tinggi dalam kristal semikonduktor, yang ditandai dengan resistansi, menyebabkan penurunan tegangan tambahan, akibatnya cabang langsung dioda lewat lebih rendah daripada di persimpangan. Karakteristik arus-tegangan cabang terbalik dioda lebih rendah daripada persimpangan ideal, karena Arus bocor sepanjang permukaan kristal ditambahkan ke arus saturasi.
Gambar 1.6 - Simbol dioda (a);
karakteristik arus-tegangan (v):
1 - idealnya - transisi, 2 – dioda nyata
Dioda dapat dibuat dari germanium atau silikon; karakteristik arus-tegangannya memiliki perbedaan yang signifikan (Gambar 1.7)
Gambar 1.7 - Karakteristik arus-tegangan germanium (1),
silikon (2) dioda
Pergeseran sifat cabang maju ke kiri disebabkan oleh perbedaan besarnya penghalang potensial, dan posisi cabang terbalik ditentukan oleh perbedaan konsentrasi pembawa minoritas, yang bergantung pada celah pita. dari semikonduktor.
Jenis karakteristik arus-tegangan bergantung pada suhu kristal semikonduktor (Gambar 1.8).
Gambar 1.8 - Ketergantungan jenis karakteristik arus-tegangan dioda pada suhu
Ketika suhu meningkat, penurunan tegangan maju pada dioda berkurang pada arus maju yang konstan. Tegangan maju berubah sebesar 2,1 mV dengan perubahan suhu 1ºC.
Arus balik meningkat dengan meningkatnya suhu sebanyak dua kali lipat ketika suhu berubah sebesar 10ºC untuk dioda germanium dan tiga kali lipat untuk dioda silikon, namun perlu diingat bahwa arus balik dioda silikon adalah tiga kali lipat lebih kecil dari arus balik. dioda germanium.
Saat ini, dioda penyearah silikon yang paling banyak digunakan, yang memiliki keunggulan sebagai berikut:
Arus balik berkali-kali lebih kecil (dibandingkan dengan germanium) pada tegangan yang sama; nilai tegangan balik yang diijinkan tinggi, yaitu mencapai 1000...1500 V, sedangkan untuk dioda germanium berada pada kisaran 100...400 W;
Kinerja dioda silikon dipertahankan pada suhu -60 hingga +150 °С, germanium - hanya dari -60 hingga +85 °C (pada suhu di atas 85 °C, pembangkitan panas di germanium meningkat tajam, yang meningkatkan arus balik dan dapat menyebabkan dioda kehilangan sifat katupnya).
Namun, pada perangkat penyearah tegangan rendah dan arus tinggi, lebih menguntungkan menggunakan dioda germanium, karena resistansinya pada arah maju adalah 1,5...2 kali lebih kecil dibandingkan dioda silikon pada arus beban yang sama, sehingga mengurangi daya hilang di dalam dioda.
Parameter utama dioda penyearah:
tegangan balik maksimum yang diijinkan dioda - nilai tegangan yang diberikan dalam arah sebaliknya sehingga dioda dapat bertahan untuk waktu yang lama tanpa mempengaruhi kinerjanya;
arus rata-rata yang diperbaiki dioda - nilai rata-rata arus penyearah yang mengalir melalui dioda selama periode tersebut;
arus searah berdenyut dioda - nilai puncak pulsa saat ini pada durasi maksimum tertentu, siklus kerja dan bentuk pulsa;
arus balik rata-rata dioda - nilai rata-rata arus balik selama periode tersebut;
tegangan maju rata-rata dioda pada nilai rata-rata arus maju tertentu;
disipasi daya rata-rata dioda - daya rata-rata selama periode tertentu yang dihamburkan oleh dioda ketika arus mengalir dalam arah maju dan mundur;
resistensi diferensial dioda - rasio kenaikan tegangan maju pada dioda dengan kenaikan arus kecil yang menyebabkannya.
Dioda semikonduktor — Ini adalah perangkat semikonduktor dengan satu sambungan pn dan dua elektroda. Prinsip pengoperasian dioda semikonduktor didasarkan pada fenomena sambungan pn, jadi untuk mempelajari lebih lanjut perangkat semikonduktor apa pun, Anda perlu mengetahui cara kerjanya.
Dioda penyearah (disebut juga katup) adalah jenis dioda semikonduktor yang digunakan untuk mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah.
Dioda mempunyai dua terminal (elektroda) anoda dan katoda. Anoda terhubung ke lapisan p, katoda terhubung ke lapisan n. Ketika plus diterapkan ke anoda dan minus ke anoda (sambungan langsung dioda), dioda melewatkan arus. Jika diberi tanda minus pada anoda dan diberi tanda plus pada katoda (sambungan terbalik dioda), maka tidak akan ada arus yang melalui dioda, hal ini terlihat dari karakteristik volt-ampere dioda. Oleh karena itu, ketika tegangan bolak-balik disuplai ke input dioda penyearah, hanya satu setengah gelombang yang melewatinya.
Karakteristik arus-tegangan (karakteristik volt-ampere) dioda.
Karakteristik arus-tegangan dioda ditunjukkan pada Gambar. I. 2. Kuadran pertama menunjukkan cabang langsung dari karakteristik, yang menggambarkan keadaan konduktivitas tinggi dioda dengan tegangan maju yang diterapkan padanya, yang dilinearisasi dengan fungsi linier sepotong-sepotong
kamu = kamu 0 +RD saya
dimana: u adalah tegangan pada katup ketika arus i lewat; kamu 0 - tegangan ambang batas; R d - resistensi dinamis.
Di kuadran ketiga terdapat cabang terbalik dari karakteristik arus-tegangan, yang menggambarkan keadaan konduktivitas rendah ketika tegangan balik diterapkan ke dioda. Dalam keadaan konduktivitas rendah, praktis tidak ada arus yang mengalir melalui struktur semikonduktor. Namun, hal ini hanya berlaku sampai nilai tegangan balik tertentu. Pada tegangan balik, ketika kuat medan listrik pada sambungan pn mencapai sekitar 10 s V/cm, medan ini dapat berpindah ke pembawa muatan bergerak - elektron dan lubang, yang terus-menerus muncul di seluruh volume struktur semikonduktor sebagai akibat dari pembangkitan panas. - energi kinetik yang cukup untuk ionisasi atom silikon netral. Lubang dan elektron konduksi yang dihasilkan, pada gilirannya, dipercepat oleh medan listrik sambungan pn dan juga mengionisasi atom silikon netral. Dalam hal ini, terjadi peningkatan arus balik seperti longsoran salju, mis. e.pecahnya longsoran salju.
Tegangan di mana terjadi peningkatan tajam arus balik adalah disebut tegangan rusaknya kamu 3 .
Tujuan utama dioda penyearah adalah konversi tegangan. Tapi ini bukan satu-satunya bidang penerapan elemen semikonduktor ini. Mereka dipasang di sirkuit switching dan kontrol, digunakan dalam generator kaskade, dll. Amatir radio pemula akan tertarik mempelajari struktur elemen semikonduktor ini, serta prinsip pengoperasiannya. Mari kita mulai dengan ciri-ciri umum.
Fitur perangkat dan desain
Elemen struktural utama adalah semikonduktor. Ini adalah wafer kristal silikon atau germanium, yang memiliki dua daerah konduktivitas p dan n. Karena fitur desain ini disebut planar.
Dalam pembuatan semikonduktor, kristal diproses sebagai berikut: untuk mendapatkan permukaan tipe p, kristal diolah dengan fosfor cair, dan untuk permukaan tipe p, diolah dengan boron, indium, atau aluminium. Selama perlakuan panas, terjadi difusi bahan-bahan ini dan kristal. Akibatnya, terbentuk daerah dengan sambungan p-n antara dua permukaan dengan konduktivitas listrik berbeda. Semikonduktor yang diperoleh dengan cara ini dipasang di rumahan. Ini melindungi kristal dari pengaruh eksternal dan meningkatkan pembuangan panas.
Sebutan:
- A – keluaran katoda.
- B – dudukan kristal (dilas ke badan).
- Kristal tipe C – n.
- D – kristal tipe p.
- E – kabel yang menuju ke terminal anoda.
- F – isolator.
- G – tubuh.
- H – keluaran anoda.
Seperti telah disebutkan, kristal silikon atau germanium digunakan sebagai dasar sambungan pn. Yang pertama lebih sering digunakan, hal ini disebabkan oleh fakta bahwa dalam elemen germanium arus baliknya jauh lebih tinggi, yang secara signifikan membatasi tegangan balik yang diizinkan (tidak melebihi 400 V). Sedangkan untuk semikonduktor silikon karakteristiknya bisa mencapai hingga 1500 V.
Selain itu, unsur germanium memiliki kisaran suhu pengoperasian yang jauh lebih sempit, bervariasi dari -60°C hingga 85°C. Ketika ambang batas suhu atas terlampaui, arus balik meningkat tajam, yang berdampak negatif pada efisiensi perangkat. Untuk semikonduktor silikon, ambang batas atasnya adalah sekitar 125°C-150°C.
Klasifikasi kekuatan
Kekuatan elemen ditentukan oleh arus searah maksimum yang diijinkan. Sesuai dengan karakteristik ini, klasifikasi berikut diadopsi:
Daftar karakteristik utama
Di bawah ini adalah tabel yang menjelaskan parameter utama dioda penyearah. Karakteristik ini dapat diperoleh dari datasheet (deskripsi teknis elemen). Biasanya, sebagian besar amatir radio beralih ke informasi ini jika elemen yang ditunjukkan dalam diagram tidak tersedia, sehingga memerlukan pencarian analog yang sesuai untuknya.
Perhatikan bahwa dalam banyak kasus, jika Anda perlu menemukan analog dari dioda tertentu, lima parameter pertama dari tabel sudah cukup. Dalam hal ini, disarankan untuk memperhitungkan kisaran suhu pengoperasian elemen dan frekuensi.
Prinsip operasi
Cara termudah untuk menjelaskan prinsip pengoperasian dioda penyearah adalah dengan sebuah contoh. Untuk melakukan ini, kami mensimulasikan rangkaian penyearah setengah gelombang sederhana (lihat 1 pada Gambar 6), di mana daya berasal dari sumber arus bolak-balik dengan tegangan U IN (grafik 2) dan mengalir melalui VD ke beban R.
Beras. 6. Prinsip pengoperasian penyearah dioda tunggal Selama setengah siklus positif, dioda berada pada posisi terbuka dan mengalirkan arus melaluinya ke beban. Ketika pergantian setengah siklus negatif terjadi, perangkat terkunci dan tidak ada daya yang disuplai ke beban. Artinya, ada semacam pemutusan setengah gelombang negatif (pada kenyataannya, ini tidak sepenuhnya benar, karena selama proses ini selalu ada arus balik, nilainya ditentukan oleh karakteristik I arr.).
Hasilnya, seperti terlihat dari grafik (3), pada output kita menerima pulsa yang terdiri dari setengah siklus positif, yaitu arus searah. Ini adalah prinsip pengoperasian elemen penyearah semikonduktor.
Perhatikan bahwa tegangan pulsa pada keluaran penyearah semacam itu hanya cocok untuk memberi daya pada beban dengan kebisingan rendah, contohnya adalah pengisi daya untuk baterai asam senter. Dalam praktiknya, skema ini hanya digunakan oleh pabrikan China untuk meminimalkan biaya produk mereka. Sebenarnya kesederhanaan desain adalah satu-satunya tiangnya.
Kerugian dari penyearah dioda tunggal meliputi:
- Tingkat efisiensi rendah, karena setengah siklus negatif terputus, efisiensi perangkat tidak melebihi 50%.
- Tegangan keluaran kira-kira setengah dari tegangan masukan.
- Tingkat kebisingan yang tinggi, yang memanifestasikan dirinya dalam bentuk dengungan khas pada frekuensi jaringan suplai. Alasannya adalah demagnetisasi asimetris dari transformator step-down (sebenarnya, inilah mengapa lebih baik menggunakan kapasitor redaman untuk rangkaian seperti itu, yang juga memiliki sisi negatifnya).
Perhatikan bahwa kerugian ini dapat dikurangi, untuk melakukan ini, cukup membuat filter sederhana berdasarkan elektrolit berkapasitas tinggi (1 pada Gambar 7).
Beras. 7. Bahkan filter sederhana pun dapat mengurangi riak secara signifikan Prinsip pengoperasian filter semacam itu cukup sederhana. Elektrolit diisi selama setengah siklus positif dan habis ketika setengah siklus negatif terjadi. Kapasitansi harus cukup untuk mempertahankan tegangan pada beban. Dalam hal ini, pulsa akan agak diperhalus, kira-kira seperti yang ditunjukkan pada grafik (2).
Solusi di atas akan sedikit memperbaiki situasi, tetapi tidak banyak; jika Anda menyalakan, misalnya, speaker komputer aktif dari penyearah setengah gelombang, latar belakang yang khas akan terdengar di dalamnya. Untuk mengatasi masalah tersebut diperlukan solusi yang lebih radikal yaitu jembatan dioda. Mari kita lihat prinsip pengoperasian rangkaian ini.
Desain dan prinsip pengoperasian jembatan dioda
Perbedaan signifikan antara rangkaian tersebut (dari rangkaian setengah gelombang) adalah bahwa tegangan disuplai ke beban di setiap setengah siklus. Diagram rangkaian untuk menghubungkan elemen penyearah semikonduktor ditunjukkan di bawah ini.
Seperti terlihat pada gambar di atas, rangkaian menggunakan empat elemen penyearah semikonduktor, yang dihubungkan sedemikian rupa sehingga hanya dua elemen yang beroperasi pada setiap setengah siklus. Mari kita uraikan secara rinci bagaimana proses tersebut terjadi:
- Rangkaian menerima tegangan bolak-balik Uin (2 pada Gambar 8). Selama setengah siklus positif, rangkaian berikut terbentuk: VD4 – R – VD2. Oleh karena itu, VD1 dan VD3 berada dalam posisi terkunci.
- Ketika rangkaian setengah siklus negatif terjadi, karena polaritasnya berubah, maka terbentuklah rangkaian: VD1 – R – VD3. Saat ini, VD4 dan VD2 terkunci.
- Periode berikutnya siklus berulang.
Seperti dapat dilihat dari hasil (grafik 3), kedua setengah siklus terlibat dalam proses dan tidak peduli bagaimana tegangan input berubah, tegangan tersebut mengalir melalui beban dalam satu arah. Prinsip pengoperasian penyearah ini disebut gelombang penuh. Keuntungannya jelas, kami mencantumkannya:
- Karena kedua setengah siklus terlibat dalam pekerjaan, efisiensi meningkat secara signifikan (hampir dua kali lipat).
- Riak pada keluaran rangkaian jembatan juga menggandakan frekuensinya (dibandingkan dengan solusi setengah gelombang).
- Seperti dapat dilihat dari grafik (3), tingkat dips antar pulsa berkurang, sehingga filter akan lebih mudah menghaluskannya.
- Tegangan pada keluaran penyearah kira-kira sama dengan tegangan pada masukan.
Interferensi dari rangkaian jembatan dapat diabaikan, dan menjadi lebih kecil lagi bila menggunakan kapasitansi elektrolitik filter. Berkat ini, solusi ini dapat digunakan pada catu daya untuk hampir semua desain radio amatir, termasuk yang menggunakan elektronik sensitif.
Perhatikan bahwa sama sekali tidak perlu menggunakan empat elemen semikonduktor penyearah, cukup mengambil rakitan yang sudah jadi dalam wadah plastik.
Kasing ini memiliki empat pin, dua untuk masukan dan nomor yang sama untuk keluaran. Kaki-kaki yang dihubungkan dengan tegangan AC ditandai dengan tanda “~” atau huruf “AC”. Pada keluarannya, kaki positif ditandai dengan simbol “+”, masing-masing kaki negatif ditandai dengan “-”.
Pada diagram skematik, rakitan seperti itu biasanya dilambangkan dalam bentuk belah ketupat, dengan tampilan grafis dioda yang terletak di dalamnya.
Pertanyaan apakah lebih baik menggunakan dioda rakitan atau dioda individual tidak dapat dijawab dengan jelas. Tidak ada perbedaan fungsi di antara keduanya. Namun perakitannya lebih kompak. Di sisi lain, jika gagal, hanya penggantian lengkap yang akan membantu. Jika dalam hal ini elemen individual digunakan, cukup dengan mengganti dioda penyearah yang gagal.