LED
ΑΚΙΔΑΣ
ZENER
1. Ορισμός της διόδου - αρχή λειτουργίας
Η δίοδος είναι μια διάταξη από ημιαγώγιμο υλικό το οποίο επιτρέπει την διέλευση ροής ρεύματος μόνο από την μία κατεύθυνση, ανάλογα με την πόλωσή της. Κατασκευάζεται από ημιαγώγιμα υλικά, όπως είναι το γερμάνιο και το πυρίτιο και αποτελείται από δύο πόλους, την άνοδο και την κάθοδο. Το γερμάνιο και το πυρίτιο είναι υλικά τα οποία στις κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος συμπεριφέροντε σαν ημιαγωγοί, ενώ σε πολύ μικρές θερμοκρασίες η αγωγιμότητά τους μειώνεται.
Ανάλογα με την πρόσμιξη των ημιαγωγών αυτών μπορούμε να πετύχουμε μεταβολή της αγωγιμότητας του ημιαγωγού στοιχείου. Έτσι, χρησιμοποιώντας μια μικρή ποσότητα πεντασθενούς στοιχείου, όπως είναι το αρσενικό ή ο φώσφορος, πετυχαίνουμε αύξηση της αγωγιμότητας του ημιαγωγού. Αυτό συμβαίνει διότι έχουμε αύξηση των ελεύθερων φορέων, (ηλεκτρονίων) του ημιαγωγού και τότε ο ημιαγωγός ονομάζεται τύπου Ν. Αν έχουμε σαν πλειονότητα φορέων τις οπές, οι οποίες έχουν θετικό φορτίο, τότε ο ημιαγωγός ονομάζεται ημιαγωγός τύπου P.
Εάν ενώσουμε έναν ημιαγωγό τύπου Ν και έναν ημιαγωγό τύπου P τότε προκύπτει μία δίοδο επαφής. Ο ένας ακροδέκτης της διόδου αποτελεί την άνοδο και ο άλλος ακροδέκτης είναι η κάθοδος. Η ροή του ρεύματος μέσα από την δίοδο, επιτυγχάνεται όταν πολώσουμε ορθά την δίοδο, δηλαδή όταν η άνοδος έχει θετικό δυναμικό και η κάθοδος αρνητικό. Στην πόλωσή της η δίοδος παρουσιάζει ορισμένα χαρακτηριστικά όπως είναι η χωρητι-κότητα και η αντίσταση επαφής της διόδου. Η χωρητικότητα επαφής είναι μια πολύ μικρή χωρητικότητα της τάξεως μερικών pF, όπου η τιμή της εξαρτάται από την πόλωσή της και το κύκλωμα στο οποίο χρησιμοποιείται.
Ως αντίσταση επαφής ονομάζουμε την ωμική αντίσταση που παρουσιάζει η δίοδος όταν είναι ορθά πολωμένη. Η τιμή της αντίστασης κατά την ορθή πόλωση της διόδου κυμαίνεται στα 800Ω περίπου, ενώ στην ανάστροφη πόλωσή της παρουσιάζει άπειρη αντίσταση.
Στην ορθή πόλωση της διόδου η άνοδος που την αποτελεί ένας ημιαγωγός τύπου P, συνδέεται στο θετικό πόλο μιας πηγής συνεχούς τάσης, ενώ η κάθοδος που την αποτελεί ο ημιαγωγός τύπου Ν στον αρνητικό πόλο της πηγής. Στην περίπτωση αυτή, το θετικό φορτίο της πηγής απωθεί τους θετικά φορτισμένους φορείς του ημιαγωγού τύπου P προς την ζώνη αγωγιμότητας της επαφής και το αρνητικό φορτίο της πηγής απωθεί τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού τύπου Ν επίσης προς την ζώνη αγωγιμότητας. Η ζώνη αγωγιμότητας είναι το σημείο επαφής των ημιαγωγών τύπου P και τύπου Ν. Τότε έχουμε ροή ρεύματος μέσα από την δίοδο.
Αν συνδέσουμε ανάστροφα την πολικότητα της πηγής με την δίοδο, δηλαδή τον θετικό ακροδέκτη με τον ημιαγωγό τύπου Ν και τον αρνητικό ακροδέκτη με τον ημιαγωγό τύπου P, τότε τα ηλεκτρόνια θα έλκονται από το θετικό φορτίο της πηγής και οι οπές από το αρνητικό φορτίο της πηγής. Στην περίπτωση αυτή η ζώνη αγωγιμότητας στην επαφή P-N μεγαλώνει με αποτέλεσμα να μην έχουμε ροή ρεύματος. Όσο μικρότερη είναι η ζώνη αγωγιμότητας τόσο ευκολότερα οι ελεύθεροι φορείς των ημιαγωγών μετακινούνται από την μια περιοχή στην άλλη, για να έχουμε ροή ρεύματος.
Στο περίβλημά τους όλες οι δίοδοι έχουν μια λωρίδα στο ένα άκρο τους που φανερώνουν την κάθοδο.
2. Κατηγορίες διόδων
Οι δίοδοι ανάλογα με τον τρόπο κατασκευής τους χωρίζονται σε κατηγορίες με συγκε-κριμένα χαρακτηριστικά. Έτσι λοιπόν έχουμε τις διόδους ακίδας, την δίοδο zener, την δίοδο σύραγγας, την δίοδο μεταβλητής χωρητικότητας (varicap), την φωτοδί-οδο και τα πολύ γνωστά σε όλους μας διόδια leds
2α) Δίοδοι ακίδας.
Οι δίοδοι ακίδας κατασκευάζονται από ένα λεπτό σύρμα βολφραμίου ή χρυσού το οποίο ακουμπά πάνω σε μια πλάκα από ημιαγωγό γερμανίου ή πυριτίου τύπου Ν. Η πλάκα του ημιαγωγού στηρίζεται σε μια μεταλλική υποδοχή. Γύρω από την ακίδα τοποθετείται μικρή ποσότητα ημιαγωγού τύπου P. Μεταξύ της ακίδας και του ημιαγωγού τύπου P διαβιβάζεται ισχυρό ρεύμα, η θερμότητα του οποίου δημιουργεί έναν κρύσταλλο τύπου P που περιλαμβάνει και την ακίδα. Έτσι έχουμε την δημιουργία μιας κρυσταλλικής επαφής PN ή δίοδο ακίδας.
Οι δίοδοι ακίδας χρησιμοποιούνται ως φωράτριες σε κυκλώματα δεκτών υψηλών συχνο-τήτων. Έχουν την ικανότητα να εργάζονται σε υψηλές συχνότητες και χρησιμοποιούνται για την ανόρθωση εναλλασσόμενων ρευμάτων υψηλών συχνοτήτων και πολύ χαμηλού πλάτους.
Κατασκευάζονται για να λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι οποίες δεν ξεπερνούν τους 75°C, ενώ το ρεύμα ορθής φοράς είναι της τάξεως των μερικών δεκάδων mA
2b) Δίοδοι Zener.
Οι δίοδοι Zener είναι δίοδοι που περιέχουν μεγάλο ποσοστό προσμίξεων και κατασκευ-άζονται κυρίως από ημιαγωγό πυριτίου. Η δίοδος Zener σε αντίθεση με τους άλλους τύπους διόδων λειτουργεί κατά την ανάστροφη φορά. Όταν μία δίοδος Zener πολωθεί κατά την ορθή φορά συμπεριφέρεται σαν μία κοινή δίοδος πυριτίου. Όταν η τάση πόλωσης γίνει μεγαλύτερη από 0,6 Volt, η δίοδος άγει αρκετό ρεύμα.
Όταν όμως πολύ ανάστροφα μόνο ένα πολύ μικρό ρεύμα θα περάσει από την δίοδο. Όταν όμως θα αρχίσουμε να αυξάνουμε την ανάστροφη τάση θα φτάσουμε σε ένα σημείο όπου θα έχουμε μια απότομη αύξηση του ρεύματος. Το σημείο της τάσης όπου έχουμε απότομη αύξηση του ρεύματος ονομάζεται τάση Zener.
Η τάση Zener υπολογίζεται να πάρει την επιθυμητή τιμή ανάλογα με τις προσμίξεις του υλικού. Οι τάσεις Zener για τις οποίες κατασκευάζονται είναι από 1 έως 156 Volt dc. Χρησιμοποιούνται για την σταθεροποίηση της dc τάσης σε κυκλώματα τροφοδοτικών, για τον ψαλιδισμό του πλάτους του σήματος σε κυκλώματα ήχου, σε κυκλώματα οργάνων μέτρησης, κτλ
2γ) Δίοδοι σύραγγας (tunnel).
Οι δίοδοι σύραγγας χαρακτηρίζονται έτσι από το φαινόμενο "σύραγγας" που παρουσιάζουν σύμφωνα με το οποίο οι ελεύθεροι φορείς (ηλεκτρόνια και οπές) υπερνικούν το δυναμικό φραγμού δίχως να έχουν την ενέργεια που απαιτείται γι΄αυτό. Αυτό επιτυγχάνεται κατα-σκευαστικά από ένα υψηλό ποσοστό προσμίξεων το οποίο είναι κατά εκατοντάδες φορές μεγαλύτερο από τα συνηθισμένα διόδια.
Το ημιαγωγό υλικό που χρησιμοποιείται συνήθως είναι το γερμάνιο ή το πυρίτιο, αλλά και άλλα υλικά τα οποία εμφανίζουν μικρές τιμές ενεργούς μάζας και διηλεκτρικής σταθεράς.
Οι δίοδοι σύραγγας χρησιμοποιούνται σε ενισχυτές χαμηλού θορύβου, σε ταλαντωτές και σε κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων.
2δ) Δίοδοι varicap.
Οι δίοδοι varicap είναι δίοδοι μεταβλητής χωρητικότητας, όπου η χωρητικότητα μεταβάλεται σε συνάρτηση με την ανάστροφη τάσης πόλωσης που εφαρμόζεται. Όταν πολώσουμε μια δίοδο varicap κατά την ανάστροφη φορά, τότε η δίοδος συμπεριφέρεται σαν πυκνωτής, όπου η χωρητικότητά της θα είναι: Cd=dQ/dV, όπου Cd η χωρητικότητα της διόδου, dQ το μεταβαλλόμενο φορτίο και dV η μεταβλητή τάση που εφαρμόζεται.
Όσο αυξάνεται η τάση, τόσο μειώνεται η χωρητικότητα της διόδου και όσο μειώνεται η τάση τόσο περισσότερο αυξάνεται η χωρητικότητα. Στην ελάχιστη τιμή της ανάστροφης τάσης, έχουμε την μέγιστη χωρητικότητα.
Τις διόδους varicap της χρησιμοποιούμε σε συντονισμένα κυκλώματα, όπως σε δέκτες τηλεοράσεων ραδιόφωνων, εκεί δηλαδή που ο συντονισμός γίνεται με ψηφιακά κυκλώματα ελέγχου, κτλ.
Είναι κατασκευασμένες να εργάζονται σε πολύ υψηλές συχνότητες και χαρακτηρίζονται από την περιοχή συχνοτήτων που εργάζονται, από την μέγιστη τάση λειτουργίας τους και την μεταβολή της χωρητικότητάς τους ανά Volt.
Παράδειγμα: Η δίοδος ΒΑ141 εργάζεται στην περιοχή των UHF, έχει μέγιστη τάση τα 30V και η μεταβολή της χωρητικότητάς της είναι 4pF/Volt. Η δίοδος αυτή χρησιμοποιείται σε κυκλώματα tuner σε δέκτες τηλεοράσεων.
2ε) Φωτοδίοδοι.
Οι φωτοδίοδοι είναι δίοδοι ανάστροφα πολωμένες όπου το ρεύμα τους μεταβάλλεται γραμμικά σε συνάρτηση με την ένταση του φωτός της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η αρχή λειτουργίας των διόδων αυτών βασίζονται στην ικανότητα της προσπίπτουσας ακτι-νοβολίας να δημιουργεί ελεύθερους φορείς (ηλεκτρόνια και οπές) στην περιοχή απο-γυμνώσεως με διάσπαση των ομοιοπολικών δεσμών.
Κατασκευάζεται κατά τέτοιον τρόπο ώστε να υπάρχει ένα διαφανές περίβλημα στην επαφή P-N, έτσι ώστε να εισέρχεται το φως στην δίοδο. Στην ανάστροφη πόλωση της διόδου και όταν υπάρχει απόλυτο σκοτάδι κυκλοφορεί ένα πολύ μικρό ρεύμα μέσα από την δίοδο το οποίο ονομάζεται ρεύμα σκότους. Το ρεύμα αυτό είναι της τάξεως των μΑ και όσο αυξάνεται η ένταση του φωτός στην δίοδο, έχουμε γραμμική αύξηση του ρεύματος, η οποία εξαρτάται από το μήκος κύματος του φωτός καθώς και από την ένταση της φωτεινής ροής πάνω στην δίοδο.
2στ) Δίοδοι LED.
Οι δίοδοι led εκπέμπουν φως στην ορθή πόλωσή τους και κατασκευάζονται για διάφορα χρώματα όπως κόκκινο, πράσινο, κίτρινο, πορτοκαλί, μπλε, σε διάφορα σχήματα και διαστάσεις. Η αρχή λειτουργίας των leds βασίζεται στο γεγονός πως στην ορθή πόλωσή τους δημιουργούνται επανασυνδέσεις οπών και ηλεκτρονίων στην επαφή P-N της διόδου. Με τις επανασυνδέσεις οπών και ηλεκτρονίων απελευθερώνεται ενέργεια από τα ηλεκτρόνια με την μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Η ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι ανάλογη με την ένταση του ρεύματος που διαρρέει την δίοδο led. Την μέγιστη ένταση του ρεύματος την ορίζει ο κατασκευαστής, γι' αυτό και η πόλωση της διόδου γίνεται με την σύνδεση μιας αντίστασης στο ένα άκρο του led, που η τιμής υπολογίζεται σε συνάρτηση με την τάση της πηγής σύμφωνα με την σχέση:
R=(V-Vd)/Id, όπου V η τάση της πηγής, Vd η τάση λειτουργίας του led η οποία δίνεται από τον κατασκευαστή, (περίπου 1,8V) και Id το ρεύμα που διαρρέει την δίοδο led.
Παράδειγμα: Αν έχουμε μια πηγή τάσης 12V και θέλουμε να πολώσουμε ένα led με ρεύμα 15mA, τότε η αντίσταση που θα χρησιμοποιήσουμε θα έχει τιμή: R=(12-1,8)/15mA=680Ω.
Συνήθως το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα που δίνει ο κατασκευαστής στο led δεν ξεπερνάει τα 50mA, με εξαίρεση leds για ειδικές χρήσεις.
Στα leds για την αναγνώριση των ακροδεκτών τους ο ένας ακροδέκτης είναι μακρύτερος από τον άλλον και δηλώνει την άνοδο. Χρησιμοποιούνται σχεδόν σε κάθε είδους κύκλωμα σαν φωτεινές ενδείξεις και έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των ενδεικτικών λυχνιών, όπως είναι η μικρή κατανάλωση ρεύματος, το πολύ μικρό τους μέγεθος και η μεγάλη διάρκεια ζωής τους που ξεπερνούν τις 100.000 ώρες λειτουργίας
Ο πιο απλός και εύκολος τρόπος να μετρήσουμε μια δίοδο είναι να χρησιμοποιήσουμε το ωμόμετρο του πολυμέτρου μας. Προσέχοντας οι ακροδέκτες του πολυμέτρου ( κόκκινος και μαύρος ακροδέκτης) να είναι στις σωστές υποδοχές του πολυμέτρου, συνδέουμε σε ορθή πόλωση μια δίοδο προς έλεγχο ενώνοντας τον κόκκινο ακροδέκτη του πολυμέτρου στην άνοδο και τον μαύρο στην κάθοδο. Τα ψηφιακά πολύμετρα έχουν ειδική κλίμακα (μέχρι 2ΚΩ) για μέτρηση διόδου, οπότε αν η δίοδος είναι καλή θα δείξει τιμή από 400Ω έως 800Ω. Αν συνδέσουμε τον κόκκινο ακροδέκτη του πολυμέτρου με την κάθοδο της διόδου και τον μαύρο ακροδέκτη με την άνοδο τότε αν η δίοδο είναι καλή θα δείξει αντίσταση μεγαλύτερη από 20ΜΩ, θεωρητικά άπειρη.
Αν μια δίοδο είναι καμμένη θα δείξει βραχυκυκλωμένη είτε στην ορθή είτε στην ανάστροφη πόλωσή της, έχει γίνει δηλαδή ο ημιαγωγός αγωγός! Επίσης μπορεί να δείχνει άπειρη αντίσταση στην ορθή πόλωσή της ή στην ορθή πόλωση μια τιμή αντίστασης πέρα απο τα φυσιολογικά μεγέθη. Υπάρχουν δίοδοι υψηλών συχνοτήτων όπου δεν είναι εύκολο να μετρηθούν με ένα κοινό ωμόμετρο ή πολύμετρο, διότι μπορεί να παρουσιάζουν διαρροές σε υψηλές συχνότητες λειτουργίας.
Επίσης ένας άλλος ακόμα ποιο αξιόπιστος τρόπος μέτρησης της διόδου είναι με το component tester ενός παλμογράφου. Στην περίπτωση αυτή ο παλμογράφος μας δείχνει την χαρακτηριστική καμπύλη της διόδου και έτσι έχουμε καλύτερη εικόνα για την σωστή λειτουργία της.
electroncircuits/MARC-revew
